Brodski motori

Izv. prof. Gojmir Radica, dipl. ing.stroj,

IZMJENA RADNOGA MEDIJA

ZADACI IZMJENE RADNOGA MEDIJA

• Izbaciti iz cilindra produkte izgaranja iz ranijega procesa,

• Dovesti potrebnu masu svježega radnog medija,

• Da bi motor razvio veću snagu potrebno je dovesti čim više radnoga medija,

• Spriječiti gubitak dovedenoga svježeg radnog medija u ispušni vod,

• Organizirati početno strujanje u cilindru,

• Pri izmjeni radnoga medija potrošiti čim manje energije.

GMT

DMT

DMT DMT GMT GMT GMT

Kompresija Usis Usis Ispuh Ekspanzija Ispuh

Ispušni ventil

Usisni ventil

Proces 4T motora

Ispušni ventil

Usisni ventil

DMT

DMT DMT GMT GMT GMT

Kompresija

Usisni

raspori

Ekspanzija

Ispušni

raspori

Kompresija Ekspanzija Ekspanzija

GMT

DMT

Proces 2T motora

1 okretaj

Usporedba procesa izmjene radnoga medija kod 4T i 2T motora

Kompresija

USISNI FILTRI

ISPUŠNI VODOVI I PRIGUŠIVAČI

p Apsorpcijski prigušivač buke

Zbog većega tlaka u cijevi nego u šupljini, spojenoj s cijevi malim otvorom, dolazi do prelijevanja dijela struje u šupljinu. Nakon prolaska vala, kada se tlak u cijevi smanji, iz šupljine će u cijev dotjecati akumulirana masa. Time se postupno duž prigušivača smanjuje amplituda tlačnih valova izazvanih periodičkim ispuhom.

Reflekcijski prigušivač buke

Nailaskom tlačnog vala na otvor komore, on se širi prema suprotnoj strani. Nakon refleksije na suprotnoj stijenki, reflektirani val se vraća prema otvoru iz kojega je krenuo u trenutku kada nailazi novi val kroz cijev. Povećani tlak na ušću cijevi sa strane komore smanjiti će razliku tlaka između novoga tlačnog vala i komore. Na taj način trenutačno smanjuje brzinu istjecanja iz cijevi, da bi se nakon otupljenog vala istjecanje nastavilo mirnije.

Apsorpcijski prigušivač Reflekcijski prigušivač

Kombinirani reflekcijsko-apsorpcijski

prigušivač

Osnovne izvedbe prigušivača buke

IZMJENA RADNOGA MEDIJA KOD ČETVEROTAKTNIH MOTORA

Ventili služe za upravljanje izmjenom radnoga medija

Kod 4T motora pogon ventila se vrši putem bregastoga mehanizma s bregastim vratilom. To se vratilo vrti s pola brzine vrtnje koljenastoga vratila

Ispušni brijeg

Usisni brijeg

UVOD

Smještaj

Dimenzije

Usisni ventil Ispušni ventil

GMT

DMT

Stapaj

DV

Promjer ventila

hV

Hod ventila

Unutarnji promjer

sjedišta

Širina sjedišta

DJELOVANJE

Ventili upravljaju izmjenom radnoga medija u motoru. Usisni ventil omogućuje svježemu mediju da se može usisati u cilindar. Ispušni ventil omogućuje ispuh iz cilindra u ispušnu cijev.

Usis Ispuh Usisni ventil otvoren

Ispušni ventil zatvoren

Usisni ventil zatvoren

Ispušni ventil otvoren

Stapaj

Stapaj

GMT

DMT

GMT

DMT

UPRAVLJANJE

Brijegovi

Brijegovi su smješteni na bregastom vratilu. Ono dobiva pogon od koljenastoga vratila i služe za otvaranje ventila, najčešće putem klackalica. Oblik brijega i dijelova za prijenos gibanja na ventil određuje krivulju podizaja ventila i kuteve otvorenosti ventila. Zbog utjecaja sile opruge, koja mora vraćati ventil i sve dijelove u gibanju, pogon ventila može činiti do 25% ukupnih mehaničkih gubitaka motora.

Klackalice

Klackalica (prikazana plavo) služi za prijenos gibanja s brijega, podizača i podizne šipke na ventil.

POGON BREGASTOGA VRATILA

kod 4T motora

Prijenosni omjer za pogon bregastog vratila je 1:2 (dva okretaja koljenastog vratila daju jedan okretaj bregastoga vratila)

Pogon bregastog vratila

nazubljenim remenom na

motoru za osobno vozilo (Opel)

Pogon bregastih vratila nazubljenim

remenom na motoru s 4 ventila po

cilindru za osobno vozilo (Opel)

Koljenasto

vratilo

Koljenasto

vratilo

Bregasto vratilo

Natezač remena

(pumpa vode)

Bregasto vratilo

ispušnih ventila

Bregasto vratilo

usisnih ventila

Natezač remena

Pumpa vode

Skretna

remenica

Pogon bregastog vratila lančanim

prijenosom za dizelski motor za osobno

vozilo (Deimler-Benz)

Pogon bregastog vratila zupčanim

prijenosom za dizelski motor za teretno

vozilo (MAN)

Pomoćni pogon

Pogon kompresora

Bregasto vratilo

Pumpa

ulja

Koljenast

o vratilo

VT pumpa za

ubrizgavanje

goriva Koljenast

o vratilo

Pumpa

ulja

Natezač lanca

Hidraulički

natezač lanca

Bregasto vratilo

VT pumpa za ubrizgavanje goriva

1 - stojeći ventili

2 - viseći ventili

3 - bregasto vratilo u cilindarskoj glavi

POGON VENTILA

Krivulja hoda ventila

0

ymax

y

Zazor za kompenzaciju termičkih

dilatacija u pogonu ventila

Trenutak otvaranja ventila Trenutak zatvaranja

ventila

Maksimalni hod ventila

Rampa Rampa

Krivulja brzine ventila

0

dy/dt

Krivulje ubrzanja ventila i opruge

0

d 2y/dt 2

Ubrzanje ventila

Ubrzanje opruge ventila

a0,op

amax,o

p

redV

op

opm

Fa

,

,0

,0

redV

op

opm

kyFa

,

max,0

max,

F0,op - sila prednapona u opruzi ventila

ymax - maksimalni hod ventila

k - krutost opruge

mV,red - reducirana masa pogona ventila

Zadatak opruge je da stalno održava pogon ventila

u kontaktu s brijegom na bregastom vratilu!

Kod negativnog ubrzanja pogon ventila

se nastoji odvojiti od krivulje brijega!

Stvarni pogon ventila

Zamjenski dinamički sustav

Reducirana masa

pogona ventila

Zamjena stvarnog pogona ventila zamjenskim dinamičkim sustavom za potrebe analiza

Brijeg

Brijeg

Brijeg

Brijeg

Ventil Ventil Ventil Ventil

Podizač

Podizač

Podizna

šipka

Klackalica Klackalica

Poluklackalica

Klasični pogon

ventila s

bregastim

vratilom u kućištu

motora

Pogon ventila s

poluklackalicom i

bregastim

vratilom u cil.

glavi

Izravni pogon

ventila s

bregastim

vratilom u cil.

glavi

Pogon ventila s

klackalicom i

bregastim

vratilom u cil.

glavi

Oslonac

poluklackalice

Tanjurić

opruge

Opruga

Vodilic

a

ventila

Izvedbe pogona ventila

Rotacap uređaj za rotaciju ventila pri podizanju

Kuglica Tanjurasta

opruga

Opruga

ventila

Poklopac

Tangencijalna

opruga

Staze za kuglice

Način rada:

Prilikom otvaranja ventila sila u opruzi

se poveća zbog njenoga skraćenja. Ta

se sila prenosi na klizni poklopac i

tanjurastu oprugu. Tanjurasta opruga

osloni se na kuglice. Kako je staza

ispod kuglica nagnuta, kuglice se

otkotrljaju prema najnižem mjestu.

Pritom se i cijeli ventil zakrene u

otvorenom stanju i ostaje tako zakrenut

sve do svoga zatvaranja.

Nakon ponovnog sjedanja ventila na

svoje sjedište, on se više neće moći

zakrenuti natrag u početni položaj. Pri

sjedanju ventila na sjedište, sila u

opruzi ventila se smanjuje, a s njom i

sila pritiska na tanjurastu oprugu. Ona

se vraća u početni položaj i oslobađa

kuglice. Male spiralne opruge vraćaju

kuglice u početni položaj za sljedeći

podizaj ventila i sljedeće zakretanje.

Za jedan okretaj ventila oko svoje osi

potrebno je 15 do 25 podizaja ventila

Kompenzacija termičkih dilatacija

Zbog mogućih termičkih dilatacija dijelova mehanizma za pogon ventila i njegovih oslonaca, pogotovo samog ispušnog ventila, potrebno je u pogonskom lancu imati zračnost. Time sprječavamo da npr. ispušni ili usisni ventil ne mogu sjesti na svoje sjedište jer su dilatirali zbog povećanja temperature

Princip djelovanja hidrauličkih kompenzatora termičkih dilatacija

Ako u cilindrični provrt ispunjen uljem stavimo

čep s malim zazorom i ostavimo ga duže

vrijeme, naći ćemo ga na dnu provrta jer će ulje

s vremenom iscuriti i pustiti čep da uđe u provrt.

Nakon dovoljno vremena zbog propuštanja ulja

čep se može prilagoditi položaju kraja ventila

Ako bi htjeli jako ubrzati proces i ako bi udarili

teškim čekićem u čep, on bi se zajedno s uljem

u provrtu ponašao kao tvrdo tijelo, jer ulje ne bi

stiglo tako brzo iscuriti iz provrta. Slično imamo

pri nailasku brijega za otvaranje ventila

Ulje

Čep

Propuštanje

ulja

Ventil s hidrauličkom kompenzacijom zazora

NAČIN RADA

Hidraulički podizač sastoji se iz kućišta u kojemu je

ugrađen pokretni mali klip, koji ima određeni zazor

prema kućištu. Kućište se pri mirovanju ventila

ispunjava uljem pod tlakom iz sistema podmazivanja

motora. Ulje ulazi u prostor iznad klipa i kroz mali

nepovratni ventil s kuglicom ulazi u prostor klipa i

potiskuje klip u dodir s vrhom ventila. Mala zraćnost

između klipa i kućišta dopušta povratak ulja i spori

pomak klipa na više, ako ga pritišće ventil (koji se

mogao izdužiti zbog svoje termičke dilatacije).

Nailaskom brijega dolazi do nagloga potiskivanja

podizača na niže. Zbog vrlo kratkoga vremena nema

mogućnosti da dođe do propuštanja većih količina ulja

iz klipa u kućište, tako da se cijeli podizač ponaša

gotovo kao kruto tijelo i gotovo vjerno prenosi hod

podizača na ventil svo vrijeme dok je ventil otvoren.

Ako pri zaustavljanju motora neki brijeg ostane u

položaju da otvara ventil, s vremenom će se zbog

propuštanja ulja klip toga podizača maksimalno uvući,

te će zračnost na tom ventilu biti najveća moguća. Pri

ponovnom upućivanju motora, kućište će se vrlo brzo

popuniti uljem i nakon par okretaja motora uspostaviti

će se ponovno puno otvaranje ventila.

Pokretn

i klip

Podizač

ventila

Ventil

Brijeg

Izvedba s bregastim

vratilima u cilindarskoj glavi,

odvojeno za usisne i za

ispušne ventile (DOHC

Double Over-Head

Camshaft)

Klasična izvedba

pogona ventila s

bregastim vratilom

u kućištu, podiznim

šipkama i

klackalicama

Izvedbe pogona ventila

Protočna površina ventila

Usisni ventil

Ispušni ventil

Rashladna voda čim bliže

sjedištu ventila

Rashladna voda čim

bliže dnu vodilice ventila

Čim manji prodor

vodilice ventila

Usisni ventil otvoren (UVO) 30 (40) ... 10 (5) 25 ... 0 oKV prije GMT

Usisni ventil zatvoren (UVZ) 40 ... 60 (80) 30 ... 40 (70) oKV iza DMT

Ispušni ventil otvoren (IVO) (70) 50 ... 40 50 ... 40 oKV prije DMT

Ispušni ventila zatvoren (IVZ) 4 ... 30 (40) 5 ... 30 oKV iza GMT

Ottovi motori Dizelski motori

Uobičajena vremena upravljanja ventila kod brzohodnih motora

Izmjena radnog medija za 4T OM pri 7000 min-1

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

0 90 180 270 360 450 540 630 720

angolo motore [°]

pre

ss

ion

e [

ba

r]

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

alz

ata

[m

m]

p cilindro

p scarico

Kut koljena, oKV

Tlak u ispuhu

Tla

k,

ba

r

Po

diz

aj ve

nti

la, m

m

Tlak u usisu Tlak u cilindru

Izmjena radnog medija za 4T OM pri 7000 min-1

-80

0

80

160

240

320

400

480

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Kut koljena, °KV

Ma

se

ni p

roto

k, k

g/h

-2

0

2

4

6

8

10

12

Ho

d v

en

tila

, m

m

Maseni protok na

ispušnom ventilu

Maseni protok na

usisnom ventilu

Početno

naglo

istrujavanje

brzinom

zvuka

Izguravanje zaostalih

plinova gibanjem plina

OPTIMALNI KUTOVI OTVARANJA I ZATVARANJA VENTILA

Najznačajnija mjesta:

• Trenutak otvaranja ispušnog ventila (IVO) - utječe na snagu motora putem max. ekspanzije i minimalnog rada za ispuh

• Trenutak zatvaranja usisnog ventila (UVO) - utječe na snagu motora putem utjecaja na max. punjenje cilindra

Gubitak rada u p-V dijagramu

Prerano otvaranje - minimalni rad ispuha

Prekasno otvaranje - maksimalni rad ekspanzije

Optimalno otvaranje

IVO1 IVO2

IVOopt

Odabir optimalnog kuta početka otvaranja ispušnog ventila

Utjecaj početka otvaranja ispušnog ventila na rad procesa

Ov - opseg ventila

Površina ispod

krivulje predstavlja

"vremenski protočni

preesjek ventila"

Izvedbe ispušnih ventila

Ventil s umetnutim tvrdim sjedištem

Komplet ispušnog ventila u posebnom kućištu

Usisni kolektor

Ispušni kolektor

Cilindarska glava s ventilima kod srednjehodnog 4T DM MAN

DM

MAN L21/31

VARIJABILNO UPRAVLJANJE VENTILA

Kut bregastog vratila Kut bregastog vratila

Kut bregastog vratila

Hod v

entila

H

od v

entila

Ho

d v

en

tila

Fazni

pomak

Promjena kuta

otvorenosti

Promjena

hoda ventila

Brzina vrtnje motora

Mom

ent

Raniji

usis Kasnij

i usis

Raniji usis

Kasniji usis

Moguće promjene u hodu i fazi usisnog ventila i utjecaj na moment motora

ISPIRANJE DVOTAKTNIH MOTORA

Ispiranje dvotaktnog motora

a) dijagram otvaranja ispušnih ventila i usisnih raspora, b) promjena tlaka i protočnih površina usisa i ispuha obzirom na kut koljena

Površina usisnih

raspora

Površina ispušnih

ventila Zrak iz puhala

Nagli

ispuh

PRINCIPI ISPIRANJA

Potpuno potiskivanje

Potpuno miješanje

Kratki spoj Svježi medij

Svježi medij

Svježi medij Plinovi

izgaranja

Smjesa

Svježi medij

PRINCIPI ISPIRANJA

Pri vanjskim uvjetima u cilindar stane svježa masa od:

Masa svježeg medija koja je zadržana u cilindru:

Stupanj punjenja:

10

st Vm

Masa dovedena u za ispiranje u stapajni volumen stane svježa masa od:

dovm

zadm

Stupanj dobave: t

dovd

m

m

t

zadp

m

m

Masa svježeg medija koja je pobjegla kroz cilindar: zaddovgub mmm

Stupanj dobave, d

Potpuno potiskivanje

Zadržani svježi

medij

Izgubljeni svježi

medij

Stu

pan

j p

un

jen

ja,

p

0 0 1

1

2

1

dep

1

Kvaliteta ispiranja

Kompresija svježeg medija za ispiranje donjom stranom klipa a) u prostoru komore ispirnog zraka, b) u prostoru koljenastoga mehanizma

Poprečno ispiranje

Ispiranje u petlji

Uzdužno ispiranje

Wartsilla MAN B&W

Hidraulički pogon ispušnih ventila brodskih 2T dizelskih motora

Pogon ispušnog ventila

Wartsilla RTA

Temperature ispušnog ventila i stjenki prostora izgaranja

Zamjena bregastog vratila elektro hidrauličkim upravljanjem ventila

PREKRET MOTORA

(Promjena smjera vrtnje motora)

Ispušni ventil

GMT

DMT

Proces 4T motora

DMT DMT GMT GMT GMT

Kompresija Usis Usis Ispuh Ekspanzija Ispuh

Ispušni ventil

Usisni ventil

Ispušni ventil

Usisni ventil

DMT

1 okretaj

Usporedba procesa izmjene radnoga medija kod 4T motora pri promjeni smjera vrtnje

DMT DMT GMT GMT GMT

Kompresija Usis Usis Ispuh Ekspanzija Ispuh

Usisni ventil

Ispušni ventil

Usisni ventil

DMT

GMT

DMT

Gorivo

Gorivo

Kod prekretnog 4T motora svaki cilindar mora na bregastom vratilu imati dva različita para brijegova, po jedan za svaki smjer vrtnje

Bregasto vratilo prekretnog 4T DM s udvojenim brijegovima

Spojka za uzdužno pomicanje bregastog vratila pri prekretu motora

na

prije

d

pomak

Bregasto vratilo prekretnog 4T DM

1a) Brijegovi goriva, 2) vijak, 4) ležaj, 5) brijegovi usisnih ventila, 8) brijegovi ispušnih ventila, 9) brijegovi zraka za upućivanje, 10) pogonski zupčanik, 11) klin, 12) nastavak vratila

Uređaj za prekret s uzdužnim pomicanjem bregastog vratila i dvostrukim brijegovima kod 4T DM

Brijeg za

vožnju

naprijed

Brijeg za

vožnju

natrag

DMT DMT GMT GMT GMT

Kompresija

Usisni

raspori

Ekspanzija

Ispušni

ventil

Kompresija Ekspanzija Ekspanzija Kompresija

GMT

DMT

Proces 2T motora 1 okretaj

Usporedba procesa izmjene radnoga medija kod 2T motora pri promjeni smjera vrtnje

DMT DMT GMT GMT GMT

Kompresija

Usisni

raspori

Ekspanzija

Ispušni

ventil

Kompresija Ekspanzija Ekspanzija Kompresija

GMT

DMT

Pomak u

fazi

Uređaj za prekret na dvotaktnom brodskom DM RTA 48

PREDNABIJANJE

PROBLEM POVEĆANJA SNAGE MOTORA

Obzirom na jednadžbu za snagu motora, vidjeti ćemo što sve možemo učiniti da bi povećali snagu motora

nzHV

nzQ

nzW

nzVpP efsssefdovefsefsref

2222,

nzHVP efsssef

2

Da bi motoru povećali snagu, možemo povećati sljedeće:

• povećanje brzine vrtnje, n, (problemi s opterećenjem ležaja povećanim inercijskim silama)

• povećanje stupnja djelovanja, ef, (ograničeno na par postotaka)

• povećanje ogrjevne moći smjese, Hs, (ograničeno na desetak postotaka)

• povećanje stapajnog volumena (dimenzija motora), Vs, (povećanje dimenzija i cijene)

• povećanje gustoće radnog medija, s.

Gustoću radnoga medija možemo povećati tako da radnom mediju povećamo tlak. Obzirom da se povećanje tlaka odvija vrlo brzo, gotovo adijabatski, uslijed povećanja tlaka povećava se i temperatura radnoga medija.

PREDNABIJANJE

2211 VpVp 2

22

1

11

T

Vp

T

Vp

TR

p

Ako bi imali idealnu adijabatsku kompresiju, bez hlađenja radnog medija, gustoća na kraju kompresije bi bila:

1

1

2

1

1

2

1

2

2

1

1

2

1

1

2

2

1

2

p

p

p

p

p

p

T

T

p

p

p

RT

TR

p

1

1

2

1

2

p

p

T

T

Pri adijabatskoj kompresiji dolazi do povećanja tlaka i temperature. Ako je došlo do povećanja temperature na vrijednosti iznad 80 oC, hlađenjem možemo dodatno povećati gustoću.

PREDNABIJANJE

TR

p

Stvarno puhalo vrši kompresiju uz gubitke koji se pretvaraju u toplinu, tako da je temperatura na kraju kompresije viša od one koju bi dobili po adijabatskoj kompresiji.

1

2s

2

h2s - h1

h2 - h1

p2

p1

h

s

12

12

12

12

12

12

TT

TT

TTc

TTc

hh

hh

h

h s

p

spssP

2

22

111

2

222

,1

,2

vp

vp

p

p

tot

tot

P

P

P

P

s TTT

TT

11

1

112

12

PREDNABIJANJE

1

2s

2

h2s - h1

h2 - h1

p2

p1

h

s

Izentropski specifični rad kompresije je:

11

1

1

Pss TRwh

11

11

1

P

PP

s TRh

h

Specifični rad stvarne kompresije je:

Snaga za pogon puhala je:

11

1

111

1

P

PP

sP TR

mhmhmP

IZVEDBE PREDNABIJANJE

Osnovna podjela načina kako je izvedeno prednabijanje ovisi o vrsti pogona za dovod energije portrebne za prednabijanje:

• Mehaničko prednabijanje (pogon za puhalo oduzima se koljenastom vratilu),

• Prednabijanje turbopuhalom (pogon za puhalo daje turbina na pogon ispušnim plinovima),

• Primjena valnih pojava (ispušni plinovi vrše izravnu kompresiju zraka za prednabijanje)

Mehaničko prednabijanje Prednabijanje turbopuhalom

Poprečni presjek Roots-ova puhala 1 - kućište, 2 - rotor

Polje karakteristika Roots-ova puhala

Rootsovo puhalo

Prednabijanje turbopuhalom

Turbina

Puhalo

Turbopuhalo

Prednabijanje konstantnim tlakom Impulsno prednabijanje

Turbopuhalo

Usis Ispuh

Smjer

vrtnje

Turbina s dva ulaza Puhalo

Promjena univerzalne karakteristike motora primjenom prednabijanja

Motor bez prednabijanja Motor s prednabijanjem Motor s prednabijanjem i

hlađenjem zraka

Brzina vrtnje S

red

nji

efe

ktivn

i tla

k (

mo

me

nt)

Mali protočni

presjek

turbine

Veliki protočni

presjek

turbine

Utjecaj protočne površine turbine na momentnu karakteristiku

motora

Na ovaj utjecaj treba misliti kod odabira veličine kućišta turbine, jer ono određuje i veličinu

protočnog presjeka turbine. Čak i mala promjena protočnog presjek turbine ima vrlo veliki utjecaj na

momentnu karakteristiku motora.

Malo turbopuhalo s radijalnom turbinom varijabilne

geometrije

Pneumatski cilindar za

regulaciju protočne

površine i kuta

statorskih lopatica

turbine

Statorske lopatice

turbine

VRIJEME TRAJANJA PROCESA IZGARANJA

Turbulentno strujanje

Prosječna brzina

strujanja

Turbulentna

komponenta

brzine

Trenutna brzina

strujanja

Trenutni profil

razdiobe

turbulentne

komponente brzine

Tuuu

Trenutna brzina strujanja

gdje je uT turbulentna

komponenta brzine.

Kao mjera za intenzitet

turbulencije često se koristi

turbulentna kinetička

energija (TKE) Prosječna brzina

strujanja

Turbulentna

komponenta

brzine

Trenutna brzina

strujanja Trenutni pretpostavljeni

profil (kugla) razdiobe

turbulentne komponente

brzine za homogenu

turbulenciju

2

2

TTKE

ue

Turbulentna energijska kaskada

Glavno strujanje s velikom

kinetičkom energijom

Nastale velike turbulentne

strukture s oduzetom kinetičkom

energijom od glavne struje

Nastale manje turbulentne

strukture s podijeljenom

kinetičkom energijom

Sve manje turbulentne strukture

s podijeljenom kinetičkom

energijom

U krajnjem stupnju se kinetička

energija u molekularnom trenju

pretvara u toplinu (pojačane

vibracije sudarenih molekula)

Značaj turbulencije

• Turbulentne strukture pojačavaju efekte prijenosa mase po dubini

volumena i time pojačavaju efekte miješanja para goriva i zraka pri

stvaranju i homogenizaciji gorive smjese. Isto tako prilikom izgaranja

turbulencija pomaže u transportu reaktanata i produkata kemijskih

reakcija.

• Prilikom izgaranja turbulentno strujanje jako deformira frontu plamena,

čime joj povećava površinu. Pri jednolikoj brzini širenja fronte plamena

(istoj brzini izgaranja), brzina progaranja gorive smjese je

proporcionalna veličini površine fronte plamena. Pojačana turbulencija

prema tome povećava brzinu izgaranja gorive smjese.

• Pojačana izmjena mase turbulencijom pojačava izmjenu topline putem

pojačanog transporta osjetne topline. Ovaj je proces intenzivniji od

procesa provođenja topline kroz mirujući plin.

• Svi ovi efekti su izuzetno poželjni za brzo odvijanje procesa u motoru.

• Negativna posljedica turbulencije je u pojačanom prijenosu topline na

stjenke prostora izgaranja.

• Zbog utjecaja turbulentne energijske kaskade, kinetička

energija glavne struje se vrlo brzo pretvara u toplinu.

• Da bi se dulje vrijeme tijekom procesa održala potrebna

kinetička energija strujanja, potrebno je da strukture strujanja

budu čim veće s čim većim sadržajem kinetičke energije.

• Druga mogućnost da imamo na raspolaganju intenzivno

strujanje, postoje mogućnosti da se takvo strujanje stvori ili

pojača tijekom procesa kompresije.

POŽELJNA STRATEGIJA STRUJANJA U CILINDRU

NAČINI ODREĐIVANJA POLJA STRUJANJA U

CILINDRU

• Metode numeričkih simulacija,

• Eksperimentalne metode. Za mjerenja brzine strujanja koriste se optičke metode, obzirom da one unose

najmanje poremećaje u područje mjerenja. Tehnike koje se danas koriste su:

• PIV (Particle Imaging Velocimetry) tehnika za određivanje cijele slike

strujanja u ravnini, metodom svjetlosnog presjeka.

• Laserska Doppler Anemometrija (LDA) za određivanje brzine strujanja u

jednoj točki prostora.

TURBOPUHALO

Kod turbopuhala snagu za pogon puhala daje turbina na ispušne plinove.

Bilansa masenog protoka:

maseni protok ispuha = maseni protok zraka + maseni protok goriva

gzisp mmm

Maseni protok usisa (protok na puhalu) ovisi o tome gdje se priprema goriva smjesa:

- ako se goriva smjesa priprema prije puhala:

- ako se goriva smjesa priprema iza puhala:

gz mmm 1

zmm 1

Snaga turbine = Snaga za pogon puhala (s gubicima) + brzina promjene kinetičke energije TP

d

dJP

dt

d

d

dJP

dt

dJPP TP

TPTPPTP

TPTPPTP

TPTPPT

Puhalo (L)

Turbina (T)

Snaga za pogon puhala

Snaga turbine na ispušne plinove

Izentropski prirast entalpije puhala

Izentropski pad entalpije turbine

Korigirani volumni protok

Om

jer

tla

ko

va

Granica

pumpanja

Max. brzina

vrtnje TP

Granica

gutanja

Korigirana

brzina vrtnje Polje karakteristika puhala

Stupanj djelovanja

Protok

Omjer tlakova na turbini

Stu

panj dje

lovanja

turb

ine

Maseni pro

tok t

urb

ine

Polje karakteristika turbine

IZVEDBE SUSTAVA PREDNABIJANJA S TURBOPUHALOM

• Impulsno prednabijanje

• Prednabijanje konstantnim tlakom

mRTpV

RTmmVpp

V

RTmp

m V

m V

PREDNABIJANJE

KONSTANTNIM TLAKOM

Veliki volumen ispušnih cijevi,

mala promjena tlaka za dotok

mase ispušnih plinova iz cilindra

Vrijeme

Tla

k

IMPULSNO PREDNABIJANJE

Mali volumen ispušnih cijevi,

velika promjena tlaka za dotok

mase ispušnih plinova iz

cilindra

Vrijeme

Tla

k

IMPULSNO PREDNABIJANJE

• Koristi se da bi se poboljšala brzina reakcije motora s prednabijanjem na promjenu opterećenja, motor je živahniji i brže reagira jer je inercija ispušnog sustava mala. Ovakvo prednabijanje pogodno je kod motora za vozila. Volumen ispušne cijevi je manji od dvostrukog stapajnog volumena svih priključenih cilindara.

• Potrebno je paziti na priključivanje cilindara na istu ispušnu cijev, kako ispuh iz jednog cilindra ne bi doveo do punjenja nekog drugog cilindra koji je na kraju sa svojim ispuhom. Prije početka ispuha iz jednog cilindra trebaju biti zatvoreni ispušni ventili priključenih cilindara. Najveći broj cilindara koji se kod 4T motora može priključiti na istu ispušnu cijev je 3.

• Ukupni stupanj djelovanja turbine kod takvoga pogona je niži nego kod prednabijanja konstantnim tlakom jer se zbog velikih promjena tlaka naglo mijenjaju i uvjeti strujanja i turbina nije sve vrijeme u optimalnim uvjetima strujanja. Jedina posljedica toga je da je tlak prednabijanja nešto niži nego kod prednabijanja konstantnim tlakom.

• Zbog većih brzina strujanja su prijelazi topline na stjenke veći. Zbog toga je potrebno da ispušna cijev bude što bolje termički izolirana, kako bi se očuvala čim veća entalpija ispušnih plinova za rad na turbini.

PREDNABIJANJE KONSTANTNIM TLAKOM

• Koristi se kod brodskih motora s prednabijanjem koji dulje vrijeme rade u ustaljenom režimu rada i koji nemaju potrebe za naglim promjenama opterećenja. Volumen ispušne cijevi je velik i najčešće veći od deseterostrukog stapajnog volumena jednoga cilindara.

• Motor je vrlo lijen u prihvaćanju opterećenja, tako da je potrebno voditi računa o brzini kojom se motor opterećuje, kako nebi ispao iz pogona.

• Kod ove izvedbe prednabijanja nije potrebno paziti na priključivanje cilindara na istu ispušnu cijev, tako da se koristi samo jedna zajednička ispušna cijev.

• Ukupni stupanj djelovanja turbine kod takvoga pogona je veći nego kod impulsnog prednabijanja jer su promjene tlaka pred turbinom male. Uvjeti strujanja na turbini su većinom vremena optimalni.

• Zbog velike površine stjenke ispušne cijevi, prijelaz topline na stjenke je veći. Zbog toga je potrebno da ispušna cijev bude što bolje termički izolirana, kako bi se očuvala čim veća entalpija ispušnih plinova za rad na turbini.

Kut koljena

2 impulsa po procesu

konstantni tlak

Promjena tlaka pred turbinom za impulsno prednabijanje i prednabijanje konstantnim tlakom

Prikaz karakterističnih krivulja rada motora u univerzalnoj karakteristici motora (lijevo) i polju puhala (desno)

Volumni protok Brzina vrtnje

Krivulja konstantne

snage

pogon generatora, n = konst

pogon brodskog vijka

pogon kompresora, M = konst

Područje rada motora i granica punoga opterećenja motora u polju karakteristika puhala

Teretno

vozilo

Osobno

vozilo

Volumni

protok

Brzina vrtnje motora

pri Puno

opterećenje niski

n

Maksimalni

moment

Nazivna

snaga

Brzina vrtnje S

red

nji

efe

ktivn

i tla

k (

mo

me

nt)

Mali protočni

presjek

turbine

Veliki protočni

presjek

turbine

Utjecaj protočne površine turbine na momentnu karakteristiku motora

Na ovaj utjecaj treba misliti kod odabira veličine kućišta turbine, jer ono određuje i veličinu protočnog presjeka turbine. Čak i mala promjena protočnog presjek turbine ima vrlo veliki utjecaj na momentnu karakteristiku motora.

Malo turbopuhalo s radijalnom turbinom varijabilne geometrije

Pneumatski cilindar za

regulaciju protočne

površine i kuta

statorskih lopatica

turbine

Statorske lopatice

turbine

Oprema za regulaciju tlaka prednabijanja ili protoka na puhalu

Bypass za povećanje

protoka na puhalu da se

izbjegne ulazak u

pumpanje

Wastegate za

ograničavanje

tlaka

prednabijanja

Turbopuhalo s optočnim ventilom (Waste gate)

za optok ispušnih plinova va turbini, kako bi se ograničio tlak prednabijanja. Kada je tlak iza puhala dovoljno velik da svlada prednapon opruge, otvara se ventil i dio ispušnih plinova se pušta mimo turbine, čime se smanjuje snaga turbine

Waste gate ventil

Turbopuhalo s Waste-gate ventilom

IZVEDBE TURBOPUHALA

• Aksijalna turbina se koristi kod velikih turbopuhala

• Radijalna turbina se koristi kod manjih turbopuhala

Rotor aksijalne

turbine

Rotor radijalne turbine

(naprijed) i puhala

(otraga)

Turbopuhalo s aksijalnom turbinom

Rotor turbine

Rotor puhala

Kućište ležaja

Klizni ležaji

Dovod ispušnih plinova

Prsten statorskih lopatica

Difuzor turbine

Spiralno kućište puhala

Difuzor puhala

Prigušivač buke Turbina

Puhalo

Turbopuhalo s aksijalnom turbinom

Rotor aksijalne turbine

Detalj rotora aksijalne turbine

Na slici se vidi način pričvršćivanja lopatica na disk rotora

Turbopuhalo s radijalnom turbinom

1. Kućište turbine

2. Rotor radijalne turbine

3. Vratilo

4. Rotor puhala

5. Kućište s filtrom i prigušivačem buke

6. Spiralno kućište puhala

7. Statorske lopatice puhala

8. Klizni ležaji

Turbopuhalo s radijalnom turbinom

Turbina Puhalo

METODE NUMERIČKIH SIMULACIJA

Izračunata polja strujanja na usisnom

ventilu

Primjer diskretizacije

područja strujanja na

usisnom ventilu za

potrebe numeričkih

simulacija

Može se zapaziti značajno

veća gustoća mreže u području

oko rubova usisnog ventila

Rezultat numeričkih simulacija za strujanje pri

usisu

Rezultat numeričkih simulacija za transport kapljica

ubrizganog goriva kod Ottovog motora tijekom usisa

Injektor

Usisni kanal

Usisni

ventil

Cilindar

EKSPERIMENTALNE METODE

Eksperimentalno mjerenje strujnica plina (zeleno)

Prikazana su dva pogleda na usisnom kanalu s koljenom od 90o (poprijeko i

u ravnini zakrivljenosti). Radi optičkog pristupa dijelovi su izrađeni iz

pleksiglasa

Slika strujanja u cilindru

dobivena "svjetlosnim rezom"

odnosno PIV tehnikom

PIV (Particle Image Velocimetry)

Primjer izvedbe uređaja za lasersko mjerenje brzine

strujanja po LDA tehnici (Laser Doppler

Anemometry)

Cilindar

Laser

Sustav za

pozicioniranje

ORGANIZIRANO MASIVNO STRUJANJE

U CILINDRU

VRSTE ORGANIZIRANOG STRUJANJA U CILINDRU

MOTORA

Vrtlog

(Swirl, Drall)

Radni medij rotira

kao tijelo oko

uzdužne osi cilindra

Primjena kod OM i

DM

Prevrtanje

(Tumble)

Radni medij rotira

kao tijelo oko

poprečne osi

cilindra

Primjena samo kod

OM s direktnim

ubrizgavanjem

Preljevno strujanje

(Squish, Quetsch)

Radni medij se preljeva

tijekom kompresije zbog

promjene omjera

volumena

Primjena kod OM i DM

Promjena

geometrije

strujanja u

cilindru Smanjeno opterećenje,

leptir (6) u pomoćnom

kanalu je pritvoren i

usis se obavlja preko

jednog ventila uz

stvaranje vrtloga oko

uzdužne osi cilindra

Povećano opterećenje,

leptir (6) u pomoćnom

kanalu je otvoren i usis

se obavlja preko oba

ventila uz stvaranje

prevrtanja struje u

cilindru

Izvedbe prostora izgaranja kod DM s direktnim

ubrizgavanjem goriva

a) M udubljenje (napušteno), b) prostor izgaranja

Vrtložna komora

Koristi se za intenziviranje pripreme

gorive smjese kod DM (danas se

polako napušta)

Promjena tlaka u glavnom prostoru izgaranja pZ i u

vrtložnoj komori pV i brzine prestrujavanja wE tijekom

kompresije

Izvedbe prostora izgaranja s indirektnim ubrizgavanjem

goriva

a) pretkomora, b) vrtložna komora

Intenzitet vrtloga i broj mlazova goriva

Intenzivniji vrtlog ide uz manji broj mlazova

PRIJELAZ TOPLINE

PRIJELAZ TOPLINE IZMEĐU RADNOG MEDIJA I

STJENKI

Načini prijenosa topline između radnoga medija i stjenki prostora izgaranja su:

• Provođenje topline kroz sloj plinovitog radnog medija do

stjenke (zanemarivi udio u ukupnom prijenosu topline),

• Prijenos topline zračenjem kroz sloj plina, uglavnom od

fronte plamena i plamičaka na stjenku (samo tijekom

izgaranja),

• Konvektivni prijelaz topline između radnog medija i stjenke

(najveći dio prijenosa topline).

i

istiistst TTAQ

dt

dQ,

Za potrebe numeričkih simulacija procesa po 0-D modelu

često se koriste različite korelacije za trenutni koeficijent

prijelaza topline. To su:

• Korelacija po prof. Woschniu (umirovljenom profesoru TU

Muenchen) iz 1976. uz naknadne dopune korelacije. Ova

korelacija je najpoznatija, no iziskuje odvojeno istovremeno

izračunavanje procesa motora bez paljenja. Korelacija je

detaljno opisana u prijevodu skripte prof. Woschnija.

• Korelacija po prof. Hohenbergu iz 1979. je mnogo

jednostavnija za izračunavanje i dovoljno točna:

4.1130 4.08.006.0

srccc cTpV

gdje je Vc trenutni volumen u m3, pc tlak u bar, Tc temperatura

u K i csr srednja stapna brzina u m/s.

W/(m2K)

Koeficijent prijelaza topline tijekom procesa motora

Ottov motor Dizelski

motor

Iz slika se vidi da je koeficijent prijelaza topline najveći u fazi

samoga izgaranja i intenzivnoga strujanja.

Uzrok tome je intenzivni prijenos topline zračenjem tijekom

izgaranja i pojačani konvektivni prijenos topline zbog

intenziviranog turbulentnog strujanja kao posljedice

intenzivnoga generiranja turbulencije pri lokalnim ekspanzijama

produkata nastalih izgaranjem gorive smjese.

Ove spoznaje su usmjerile i samu konstrukciju kod velikih

sporohodnih dvotaktnih motora na način da se iz procesa gubi

čim manje topline u fazi izgaranja, kako bi se ona sačuvala za

pretvorbu u mehanički rad tijekom ekspanzije. Posljedica toga

su motori s vrlo dugim stapajem u usporedbi s promjerom

cilindra.

Ove izmjene nisu tako intenzivno provedene kod brzohodnijih

motora da se izbjegne preveliko povećanje inercijskih sila

Utjecaj prijelaza topline na konstrukciju sporohodnih 2T

DM Prijenos topline na stjenku vrši se putem izloženih

površina prostora izgaranja. Brzina hlađenja

nekoga tijela koje izmjenjuje toplinu preko svoga

oplošja je:

V

A

c

TT

dtcm

dQ

dt

dT

p

st

p

st

Vidimo da je za smanjenje brzine hlađenja

potrebno imati čim manji omjer oplakane

površine za dani volumen, ako želimo održati

dovoljno visoke temperature radnoga medija.

Najmanji omjer oplakane površine za dani

volumen ima kugla. Približavanje geometrije

kompresijskog prostora kugli omogućuje nam

smanjenje gubitaka topline tijekom izgaranja i na

samom početku ekspanzije.

Nepovoljni oblik

prostora izgaranja,

velika oplakana

površina za dani

volumen

Povoljni oblik prostora

izgaranja, veliki s/D

Zahvaljujemo na pozornosti