nakon paljenja, ve je potrebno da protekne jedan izvjestan vremenski period do momenta vidnog porasta pritiska u cilindru, tj

188

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 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.

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.

U nastavku e se razmotriti proces izmjene radne materije, kod dvotaktnog motora sa jednosmjernim sistemom ispiranja (ventilsko-kanalski sistem).

Na slici 101 prikazan je indikatorski diagram u koordinatama p-V i kruni razvodni diagram. Na 90 KV prije UMT u taci 1 dolazi do otvaranja izduvnih ventila (oba ventila su izduvna). Od tog momenta poinje izlazak sagorjelih gasova.

Sl. 101 Kruni diagram razvoda i diagram pritiska kod dvotaktnih motora u

procesu izmjene radne materije

Jednovremeni proces izduvavanja i irenja izduvnih gasova dovodi do intenzivnog snienja pritiska u

cilindru na vrijednost po. Ovaj period naziva se period slobodnog izduvavanja. Poetak otvaranja usisnih

kanala je u taki 3 oko 45 KV prije UMT, kada je pritisak u cilindru neto vei nego u usisnim

kanalim pk (ovaj pritisak daje kompresor). Kao posljedica intenzivnog kretanja izduvnih gasova prema izduvnim ventilima ne dolazi do njihovog ulaska u usisne kanale, a pritisak u cilindru se i dalje sniava. Kada pritisak u cilindru postane manji od pk, tada poinje ulazak svjeeg radnog fluida u cilindar i njegovo ispiranje. Period u kome se odvija ulazak svjeeg fluida u cilindar i odstranjivanje produkata sagorijevanja, naziva se prinudno izduvavanje i punjenje. U procesu ispiranja dio svjee radne materije istjeruje sagorjele gasove, mijea se sa njima i izlazi kroz izduvne kanale. Proces odstranjivanja sagorjelih gasova zavrava se u momentu zatvaranja izduvnih ventila (taka 2). Poslije zatvaranja izduvnih ventila usisni kanali ostaju otvoreni na dijelu 24, to daje mogunost dodatnog punjenja cilindra.

4.3.1 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). 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

a) Hidraulini otpori usisa

Za ocjenu hidraulikih otpora uzima se taka a (sl. 98 i sl. 100), 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 sl. 102.

Sl. 102 ema 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. Za ravni k i a (sl. 102) moe se napisati Bernulijeva jednaina kao:

(78)

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 (sl. 102) - 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 jednaine (78) se moe napisati da je razlika pritisaka:

(79)

Iz jednaine kontinuiteta za presjek ventila i ela klipa slijedi:

(80)

odnosno

(81)

gdje je

Av = Avg v - popreni presjek kod ventila

Akl - povrina ela klipa

Avg - maksimalni poetni presjek na ventilu

v - koeficijent gubitaka na ventilu

- brzina klipa, koja se rauna po priblinom obrascu kao

n - broj obrtaja motora

c1 - konstanta ()

l - duina klipnjae

r - poluprenik radilice

Uvrtavajui izraz (81) u jednainu (79) moe se napisati izraz za pad pritiska u toku usisavanja kao:

(82)

gdje je

(83)

Na osnovu iskustvenih podataka, srednja brzina usisne smjee u poprenom presjeku ventila se kree

wp = 50 130 m/s, a veliina .

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) pkb) 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.

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.:

(84)

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

(85)

Broj motora zaostalih gasova rauna se na osnovu jednaine stanja kao:

(86)

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 konstanataBroj 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.

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 izraza (85), (86) i izraza

(87)

gdje su:

pk, Tk - parametri svjee smjee na kraju takta usisavanja

- zapreminski stepen punjenja motora

R - univerzalna gasna konstanta (R = 8314 kJ/kmol)

moe se odrediti koeficijent zaostalih gasova kao:

EMBED Equation.3

(88)

Ako se ovdje pored koeficijenta zaostalih gasova () definie i stepen ispiranja (s) kao:

(89)

moe se na osnovu izraza (84) i (89) uspostaviti zavisnost izmeu s i kao:

(90)

c) 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). Zbog oduzimanja djela toplote od svjeeg punjenja za isparavanje goriva kod oto motora, tj.:

T = Tk - Tis

(91)

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 osnovu bilansa toplota svjeeg punjenja, zaostalih gasova i toplote nakon njihovog mijeanja. Jednaina bilansa toplota je:

(92)

Uvodei pojednostavljenja:

specifina toplota mjeavine () se uzima priblino specifinoj toploti svjee radne materije

specifina toplota zaostalih produkata sagorijevanja () moe se jednostavno, bez

velike greke u proraunu usvojiti kao .

Koristei ova pojednostavljenja, kao i potrebne relacije u ovom djelu, iz jednaine (92) se moe odrediti Ta kao:

(93)

d) 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 (), koja bi mogla ispuniti radnu zapreminu cilindra u odnosu na parametre smjee na usisu (pk, Tk). Moe se napisati:

(94)

Ako se sa Vk oznai zapremina, koju bi popunila masa mk gustine k, onda se jednaina (94) moe napisati kao:

EMBED Equation.3

(95)

te se zbog toga stepen punjenja () esto naziva volumetrijski stepen punjenja.

4.4 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 na 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. 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 103.

Sl. 103 Karakteristike procesa sabijanja

U trenutku zatvaranja usisnih organa pritisak i temperatura radnog fluida su , i . Pri adijabetskom sabijanju ( = 1,41 = const) pritisak i temperatura kraja sabijanja bila bi i . 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 n > . Od take r, gdje je T = Tsr, sabijanje se izvodi po politropi sa promjenljivim pokazateljem n < . 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 sl. 103 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.

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 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 n < .

4.4.1 Parametri procesa sabijanja (kompresije)

Odreivanje parametara na kraju procesa sabijanja uz promjenljivi eksponent politrope je dosta komplikovano. Uobiajeno je da se kod jednostavnijih analiza temperatura i pritisak na kraju takta sabijanja odreuju koristei srednji eksponent politrope (konstantan za itav proces) n1.

Pretpostavlja se da je poetak sabijanja kada je kip u UMT. Koristei jednainu politropske promjene stanja:

(96)

i relaciju za stepen sabijanja

(97)

dobija se pritisak na kraju kompresije kao:

(98)

Koristei jednainu stanja za take a i c (sl. 103) i jednainu (98) dobija se:

(99)

U poetnom periodu sabijanja svjee punjenje se zagrijava od toplih povrina stjenki. Na tom dijelu 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 adijabetskom, naroito kod bronzanih motora.

4.5 Proces sagorijevanja

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. Poto je ostvarenje smjee goriva i zraka i samo sagorijevanje od velikog znaaja za karekteristike motora to e oni biti kasnije posebno obraeni.

4.5.1 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 104 dat je razvijen indikatorski diagram jednog karburatorskog oto motora. Kod ovog motora se u toku kompresije vri sabijanje gotove smjee, ostvarene u karburatoru.

Sl. 104 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.

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 optimalnu vrijednost p, odnosno da se dobije najekonominiji ciklus sa energetskog i ekolokog aspekta.

4.5.2. 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 109, dat je razvijeni indikatorski diagram dizel motora. S obzirom na realne uslove

Sl. 105 Razvijeni indikatorski diagram dizel motora

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).

Na slici 109 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.

Pritisak (pz) je kod ciklusa sa kombinovanim dovoenjem toplote:

(100)

a kod ciklusa sa dovoenjem toplote pri v=const

EMBED Equation.3

(101)

Stvarni pritisak () na kraju procesa sagorijevanja kod oto motora (obzirom na karakter toka pritiska) se iskustveno uzima:

(102)

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

4.6 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. 106) 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).

Sl. 106 Proces irenja 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. 107). 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. 106), kada je intenzivno sagorijevanje dolazi do intenzivnog dovoenja toplote i znatnog porasta pritiska, a pokazatelj politrope n2 prikazan na slici 107 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 prilikom prorauna parametara na kraju irenja koriste se srednje vrijednosti eksponenta politrope n2.

Sl. 107 Diagram promjene eksponenta adijabate () i politrope (n2) u toku procesa irenja

4.6.1 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)

Pritisak i temperatura na kraju irenja (taka b), dobiju se koristei jednainu politrope kao:

(103)

Za oto motore izraz (103) se moe napisati kao:

(104)

Na slian nain odreuje se i temperatura na kraju irenja:

za dizel ciklus:

(105)

za oto ciklus

(106)

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.).

5. POKAZATELJI ZA OCJENU RADNOG CIKLUSA

Pokazatelji za ocjenu radnog ciklusa motora se u principu dijele na unutranje, odnosno indicirane, koji se odreuju na osnovu podataka i rezultata mjerenja veliina, koje definiu pojedine procese ili itav radni ciklus u radnom prostoru motora, te na efektivne pokazatelje, koji se odnose na veliine izmjerene ili proraunate na stanje na spojnici koljenastog vratila motora.

Razlike u veliini ovih dvaju grupa parametara nastaju uslijed prenosa energije iz radnog prostora motora na njegovu spojnicu i formuliu se funkcijama prenosa mehanike energije.

U fizikalnom smislu ovi parametri u sutini definiu:

energetsku kompaktnost motora, u smislu iskoritenja njegove radne zapremine, i

ekonominost motora, s obzirom na iskoritenje dovedene toplotne energije

Osim ovih pokazatelja, za ocjenu motora su veoma vani i pokazatelji, koji su u vezi sa zatitom ovjekove sredine:

buka, koju motor emituje prilikom rada,

sastav izduvnih gasova, posebno koncentracija i ukupna emisija pojedinih tetnih komponenti, i

miris izduvnih gasova

5.1 Indicirani parametri

a) Srednji indicirani pritisak

Na slici 108 prikazan je indikatorski dijagram, dobiven ispitivanjem etverotaktnog oto motora (usisna varijanta) u koordinatama p-V. Povrina ograniena krivom a, a, f , k, z1, l, b1, a ekvivalentna je indiciranom radu +Li, povrina b1, r, a, b1 ekvivalentna je radu, koji se troi na proces izmjene radne

Sl. 108 Proraun i indikatorsi diagram etvorotaktnog usisnog oto motora

materije odnosno Lizm. Prema tome, indicirani rad cjelokupnog ciklusa etvorotaktnog motora bez nadpunjenja, kada se uzme u obzir gubitak rada na proces izmjene radne materije je:

(107)

Srednji indicirani pritisak je fiktivani pritisak, konstantne veliine, koji bi djelujui na klip, u toku jednog hoda klipa, izvrio isti rad, kao i promjenljivi pritisak u cilindru za vrijeme svih hodova (taktova) jednog radnog ciklusa. Srednji indicirani pritisak je definisan kao odnos indiciranog rada (Li, uk) i hodne zapremine motora (Vh) kao:

(108)

gdje su - srednji indicirani pritisak bez uzimanja u obzir rada, koji se troi na izmjenu rada materije, a pokazuje specifini rad po jedinici zapremine, koji se gubi na proces izmjene radne materije.

Srednji indicirani pritisak se izraunava iz snimljenog indikatorskog dijagrama odreivanjem navedenih povrina, koje se pomou odgovarajue razmjere pretvaraju u rad. Iz slike 108 vidljivo je da procesi prikazani indikatorskim dijagramom nemaju skokovite prelaze (kao u idealnim, odnosno proraunskim ciklusima), nego se linije pojedinih procesa (faza ciklusa) nastavljaju jedna na drugu blagim zaobljenim prelazima. Karakter prelaza od jednog procesa ka drugom zavisi od mnogo inilaca, te ga nije mogue obuhvatiti analitikim proraunom. Prilikom odreivanja parametara motora obino se formira proraunski indikatorski dijagram za dva hoda (sabijanje i irenje), a gubici rada na izmjeni radne materije pridodaju se mehanikim gubicima ili se posmatraju odvojeno. Zaokrugljenja dijagrama na mjestima prelaza od jednog procesa na drugi izvode se na osnovu podataka dobijenih ispitivanjem slinih motora. Kod prorauna ova zaokrugljenja definiu se posebnim koeficijentom.

Na slici 109 dati su proraunski (nezaokrugljeni) a c z z b a i stvarni a c c z l b a indikatorski dijagrami ciklusa sa kombinovanim dovoenjem toplote.

Sl. 109 Proraunski i indikatorski diagrami etverotaktnog usisnog dizel motora

Za priblini proraun srednjeg indiciranog pritiska se koristi proraunski (nezaokrugljeni) indikatorski diagram. Rad ciklusa Sabate, prema slici 109, sastoji se iz rada irenja gasova od do Vz pri pz = const, plus rad politropskog irenja sa srednjim eksponentom politrope n2 od stanja pz, Vz do stanja pb, Vb minus rad, koji se troi na kompresiju (na politropsko sabijanje) sa srednjim eksponentom politrope n1, od stanja pa, Va do stanja pc, Vc. Ako se sa oznai cjelokupan rad ciklusa bez uzimanja u obzir gubitaka rada na izmjenu radne materije, onda se prema oznakama na sl. 109, rad nezaokrugljenog indikatorskog diagrama, za ciklus sa kombinovanim dovoenjem toplote, moe izraunati kao:

(109)

Pojedine veliine u izrazu (109) su:

(110)

rad politropskog irenja

(111)

rad politropskog sabijanja

EMBED Equation.3

(112)

Sada se izraz (109) moe pisati kao:

(113)

Sada se moe napisati izraz za srednji indicirani pritisak proraunskog nezaobljenog ciklusa (sl. 109), bez izmjene radne materije kao:

(114)

Za pojedine specijalne sluajeve izraz (114) dobiva formu:

za ciklus sa dovoenjem toplote pri v = const. ( = 1, = 1, = ):

(115)

za ciklus sa dovoenjem toplote pri p = const :

(116)

Iz indikatorskog diagrama stvarnih ciklusa oto (sl. 108) i dizel (sl. 109) motora, vidi se da je indicirani rad stvarnog ciklusa, manji od proraunskog sa nezaokrugljenim ciklusom. Odstupanje stvarnih vrijednosti srednjeg indiciranog pritiska, u odnosu na proraunske vrijednosti, ne uzimajui u obzir izmjenu radne materije, ocjenjuje se koeficijentom zaokruenja indikatorskog diagrama i, tj.:

(117)

Prema eksperimentalnim podacima koeficijent zaokruenja i se kree u granicama i = 0,92 0,97.

Dio indiciranog rada se troi i na izmjenu radne materije (Lizm). Na sl. 110 prikazan je detalj indikatorskog diagrama izmjene radne materije.

Sl. 110 Indikatorski diagram izmjene radne materije etvorotaktnog usisnog motora

Gubitak dijela indiciranog rada za izmjenu radne materije (Lizm) prikazan je na sl. 110 rafiranim poljem. Ovaj dio indiciranog rada se esto izraava i preko srednjeg pritiska

(118)

Kod etverotaktnih motora srednji pritisak (pizm) se moe priblino odrediti (sl. 109) kao:

(119)

gdje je izm koeficijent izmjene radne materije i zavisi od brzinskog reima rada i optereenja motora. Prema iskustvenim saznanjima ovaj koeficijent se kree u granicama izm = 0,75 0,9. Ovim koeficijentom se uzimaju injenice da u toku pranjenja i punjenja, pritisak u cilindru nije konstantan (nego oscilatoran) zbog ega je stvarni rad izmjene radne materije (Lizm), manji od teoretskog

(Vh (pr - pa)), tj.

(120)

Kod nadpunjenih motora rad izmjene radne materije moe biti pozitivan i negativan (zavisno od reima rada), to se vidi na sl. 111.

Sl. 111 Indikatorski diagram izmjene radne materije kod etvorotaktnih nadpunjenih motora

Kod dvotaktnih motora se srednji indicirani pritisak, izraunat prema nezaokrugljenom dijagramu za koristan dio hoda klipa, preraunava se na cijeli hod klipa preko izraza:

EMBED CorelDraw.Graphic.7

_991039276.unknown

_991461803.unknown

_997247397.unknown

_1004157361.unknown

_1096274061.unknown

_1096361701.unknown

_1096361747.unknown

_1096362489.unknown

_1096274097.unknown

_1004157399.unknown

_997259458.unknown

_997261975.unknown

_997262141.unknown

_1000023578.unknown

_1004157212.unknown

_997262061.unknown

_997262140.unknown

_997261972.unknown

_997259262.unknown

_997259287.unknown

_997258083.unknown

_991475759.unknown

_993489623.unknown

_993490443.unknown

_994571837.unknown

_994571835.unknown

_993489805.unknown

_991643488.unknown

_991644431.unknown

_991644545.unknown

_991646801.unknown

_991643966.unknown

_991477038.unknown

_991477399.unknown

_991476174.unknown

_991468746.unknown

_991472823.unknown

_991473149.unknown

_991468808.unknown

_991466088.unknown

_991466153.unknown

_991466062.unknown

_991043157.unknown

_991111262.unknown

_991111544.unknown

_991461727.unknown

_991111430.unknown

_991109496.unknown

_991109514.unknown

_991043214.unknown

_991042460.unknown

_991042948.unknown

_991043144.unknown

_991042806.unknown

_991042110.unknown

_991042331.unknown

_991041986.unknown

_991025566.unknown

_991031738.unknown

_991035781.unknown

_991035974.unknown

_991031818.unknown

_991031461.unknown

_991031716.unknown

_991027763.unknown

_990946546.unknown

_991023846.unknown

_991025412.unknown

_990946578.unknown

_990946266.unknown

_990946370.unknown

_990868563.unknown