Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikues.elfak.ni.ac.rs/Seminar works AUTO/Cetvorotaktni ciklus... · Web viewVrlo važan aspekt kontrole goriva je merenje mase vazduha

Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektroniku

ISTORIJSKI RAZVOJ MOTORA SUSAko posmatramo istorijski razvoj motora možemo reći da su se vremenom razvijala vozila čija se brzina povećavala u zavisnosti od snage motora.Prva parna mašina koja ne zadovoljava epitet motora sa unutrašnjim sagorevanjem konstruisana je 1764. godine od strane Džemsa Vata. Velikom napretku razvitka motora doprineli su najpre Filip Lebon, koji je 1800. Godine konstruisao motor koji je kao pogonsko gorivo koristio svetleći gas, i Francuz Lenoar koji je radio na usavršavanju ovog motora 1860. godine. i koji je osavremenio ovaj model motora. Nakon toga su neki inžinjeri (Bo De Ros) pokusavali da realizuju motor sa unutrašnjim sagorevanjem ali se sve završavalo na teorijskom delu ili se radilo o motorima vrlo male snage. Takav je bio dvotaktni motor mehaničara Markusa.

Revolucija razvoja motora sa unutrašnjim sagorevanjem pocinje sa Nikolas-om August Otto-om (1832-1891) koji je konstruisao ovakav motor koji se naziva i Oto motor. Ovaj pronalazak bio je prva praktična alternativa parnoj mašini.Otto je napravio prvi benzinski motor 1861. godine. Tri godine nakon toga oformio je partnerstvo sa velikim Nemačkim industrijalcem Eugenom Langenom sa kojim razvija poboljšanu verziju motora koja 1867. osvaja zlatnu medalju na Pariskoj Izložbi.1876. godine Otto konstruiše četvorotaktni motor sa unutrašnjim sagorevanjem, najsličniji onom koji poznajemo danas. Naime, četvorotaktni ciklus patentirao je Bo De Ros, francuski inžinjer, ali kako je Otto prvi konstruisao sam motor do danas ciklus je poznat kao Ottov ciklus. Zanimljivo je da je u Otovoj firmi radio i Gottlieb Wilhelm Daimler kao tehnički direktor. Daimler je 1882. napustio ovu firmu i zajedno sa Wilhelmom Meybachom osnovao sopstvenu. 1885. patentirali su četvorotaktni motor sa karburatorom koji je omogućavao upotrebu benzina kao osnovnog goriva. Prvi od motora isprobali su na bicikolu (ovo je verovatno i prvi motorcikl ikad napravljen), zatim na kočiji sa četiri točka (1886.) i na čamcu (1887.). 1889. su dizajnirali i napravili prvi automobil. 1890. osnivaju Daimler-Motor-Gesellschaft, firmu koja 1899. pravi prvi Mercedes. Pored Otto-a, u ovoj oblasti radio je i Rudolf Diesel. Njegov rad bio je usmeren razvoju četvorotaktnog toplotnog motora čiji bi ciklus bio što bliži Karnoovom. 1890. je došao na ideju dizel-motora koji danas

1


poznajemo. Uz podršku firmi Maschinenfabrik Augsburg i Krupp proizvodi seriju sve uspešnijih modela što kulminira 1897. kada je demonstrirao jednocilindrični, četvorotaktni motor od 25ks.

U istorijatu motora značajno je napomenuti kada su pronađeni-konstruisani pojedini uređaji: -Robert Boš ( Robert Bosch ) 1887. godine konstruisao je baterijsko paljenje,a 1901. godine magnetno paljenje, -Majbah ( Maybach ) konstruisao je karburator, -Danlop ( Dunlop ) konstruisao je pneumatike za vozilo, -olovni akumulator je pronađen 1860. godine, -elektropokretač konstruisan je 1912. godine itd.

DEFINICIJA, KARAKTERISTIKE I PODELAMOTORA SUS

Motor sa unutrašnjim sagorevanjem podrazumeva uredjaj kod koga i reaktanti sagorevanja (oksidant, najčešće vazduh i gorivo), a i produkti sagorevanja služe dobijanju radne energije. Tačnije energija se dobija iz toplote koja je oslobodjena sagorevanjem smeše oksidanta i goriva. Rezultat delovanja vrelih, gasovitih produkta sagorevanja na pokretnim delovima motora kao sto je na primer klip, je koristan delotvoran rad.

Ako motore sa unutrašnjim sagorevanjem delimo prema tipu ciklusa onda imamo dve grupe – motori sa kontinunualnim i motori sa isprekidanim sagorevanjem. Kontinualno sagorevanje podrazumeva stalan protok goriva i vazduha kao i njihovo konstantno paljenje (mlazni motori kod aviona). Isprekidano sagorevanje podrazumeva da se u odredjenom ciklusu,periodično, konačne količine vazduha i goriva pale i potom prolaze kroz ostale delove ciklusa. Ovo je tipično za benzinske i dizel motore sa klipovima kakve vidjamo u automobilima. Postoje i podele motora sa unutrašnjim sagorevanjem prema tipu goriva i metodi ubrizgavanja, načinu paljenja, načinu kretanja klipova

2


(pravolinijski i rotacioni), rasporedu cilindara, broju taktova u ciklusu (dvotaktni I četvorotaktni), tipu rashladnog sisitema iprema tipu ventila i njihovom mestu nalaženja.

Slika 1

Rad motora sa unutrašnjim sagorevanjem, čiji je model prikazan na slici 1, predstavlja niz odgovarajućih termodinamičkih procesa. Kod motora sa kontinualnim sagorevanjem ovi procesi se odvijaju simultano dok se kod motora sa isprekidanim sagorevanjem odigravaju jedan za drugim i njihovo vremensko pojavljivanje se moze ograničiti.

Najčešći motori sa unutrašnjim sagorevanjem koji su u upotrebi su benzinski i dizel četvorotaktni motori. Ovde možemo pomenuti i gasne turbine, supersonične motore, raketne motore itd. Kod motora SUS potrebno je da gorivo poseduje odredjena svojstva i da njegovi produkti ne sadrže čvrste čestice. Osnovni hemijski element tečnih i gasovitih goriva su ugljenik i vodonik

3


i goriva za motore SUS treba da zadovolje sledeće osnovne zahteve: da imaju visoku toplotnu moć kako bismo zadanom količinom goriva dobili što veći efekat, da su lako isparljiva, da ne sadrže sastojke koji omogućavaju koroziju pri skladištenju, da su postojana pri transportu i skladištenju, da imaju veliku brzinu sagorevanja itd. Naravno, motori sa unutrašnjim sagorevanjem imaju veliki broj prednosti, ali i nedostataka koje je bitno pomenuti. Osnovne prednosti su dobra ekonomičnost goriva (optimalni stepen korisnosti zavisno od vrste motora ide do 0,25 do oko 0,60 ) , relativno dobra specifična snaga (razvijena snaga iz jedinice mase), dobra kompaktnost pogonskog agregata, koriste gorivo visoke energetske sabijenosti što omogućuje dobar radijus kretanja za dati kapacitet rezervoara goriva ,imaju brzu spremnost za rad i troše gorivo samo dok rade što uopste nije nebitno.

Nedostaci koji ove motore čine nesavršenim su velika zavisnost od kvaliteta goriva, jer za pojedine vrste motora koriste se tačno definisani zahtevi u pogledu kvaliteta goriva zatim loše ekološke karakteristike tj. zagadjenje okoline izduvnim gasovima, velika buka koja nastaje usled sagorevanja i kretanja delova motora, komplikovanost konstrukcije zbog velikog broja delova, relativno visoka cena proizvodnje motora kao i visoka cena naftnog goriva.

ČETVOROTAKTNI CIKLUS MOTORA

Četvorotaktni ciklus je dobio naziv Otto-ciklus, po poznatom fizičaru Nikolasu Ottu. Pored Otto-ciklusa, dakle, postoje brojne modifikacije istog, kao sto su Miller-ov ciklus, zatim Wankler-ov ciklus, Brayton-ov ciklus…itd.

Posle upoznavanja sa Otto-ciklusom, sledi njegova analiza. Ako biste stavili malu količinu nekog visoko-energetskog goriva u jedan zatvoren, dobro obezbedjen prostor i “aktivirali” gorivo u njemu varnicom, plamenom ili slično dobili bi ste jednu relativno snažnu eksploziju, odnosno relativno veliku količinu

4


oslobodjene energije. Vrlo je bitno kontrolisati i usmeriti takvu energiju. Na primeru topa imamo slučaj oslobadjanja velike koliičine energije zbog ispaljivanja djuleta u odredjenom smeru. Nesto slično ovom imamo i u automobilskim motorima s tim da je taj proces drugačije usmeren. U motorima sa unutrašnjim sagorevanjem imamo princip cikličnog-reprodukcionog procesa koji je kružno usmeren. Sa obzirom da nam je potrebna velika količina energije koja će nam pokretati pogonske točkove isto tako nam je potrebno 100 eksplozija u minuti kako bi motor imao mekoću i elastičnost.

Za ovo je zaslužan Otto-ov ciklus. Osnovni deo motora je cilindar, koji predstavlja radni prostor motora. Iz ovog razloga se i u tehničkim podacima spominje ‘radna zapremina’ izrazena u kubnim centimetrima, odnosno litrama popularno znana kao ‘kubikaža’. Motori najčešće imaju četiri, šest ili osam cilindara i ukupna radna zapremina motora predstavlja zbir zapremina svih cilindara. Raspored cilindara u motoru može biti redni, u V (pod nekim uglom) ili položeni ili tzv. bokser motori. To znaci da ako imamo četvorocilindrični motor od 2 litra radne zapremine (2000 cm3) sledi da svaki cilindar ima po pola litre zapremine. Svi cilindri su odozgo povezani glavom motora i na vrhu cilindara se nalaze otvori – usisni i izduvni. Preko usisnog otvora se ubrizgava prethodno napravljena smeša benzina i vazduha. Otvaranje i zatvaranje usisnog otvora konrolišu usisni ventili čiji su pokreti uskladjeni sa ostalim osnovnim delovima motora. Postoje i izduvni ventili koji kontrolišu izbacivanje ostataka posle svih faza ciklusa i izbacuje ih dalje kroz granu auspuha.

Mogu postojati samo dva takva ventila ali najnovija tehnologija koristi čak i pet ovakvih ventila. Danas su naješći oni motori sa četiri ventila po svakom cilindru – dva usisna i dva izduvna. Kontrolu rada ovih ventila vrši bregasta osovina, koja radi u skladu sa radilicom koja je takodje osnovni deo sklopa motora. Unutar cilindra se nalazi klip cija je uloga da vrši sabijanje ubačene smeše u cilindru. Klip je klipnjačom povezan sa spomenutom radilicom koja prenosi to kruzno kretanje dalje (ka točkovima) ali i reguliše rad bregaste osovine, radi što pravovremenijeg otvaranja ventila. Moramo imati dve bregaste osovine postavljene iznad glave motora i svaka bregasta osovina kontroliše rad jednog para ventila.

Sama radilica se nalazi unutar bloka motora i zbog nje se u suštini koristi motorno ulje, ulje se nalazi na odredjenom, propisanom nivou u bloku motora i

5


svojim okretanjem radilica uvek prodje kroz taj ‘talog’ ulja i tako reducira habanje. Pored svih ovih delova bitne su i svecice, a o njima nesto kasnije.

Na sledecoj slici (slika 2) grubo je prikazan motorni mehanizam četvorotaktnog klipnog motora.

Slika 2

Radni ciklus četvorotakrnih motora SUS sastoji se iz sledeca četiri takta usisavanja, sabijanja, ekspanzije i izduvavanja koji su prikazani na slici 3.

6


SLIKA 3

Pri svakom od pomenutih taktova klip se kreće izmedju svoja dva krajnja položaja tj. vrši pravolinijsko – oscilatorno kretanje. Ako brzinu klipa u jednom smeru računamo kao pozitivnu to će ona pri kretanju klipa u suprotnom smeru biti negativna. Naravno, pri promeni smera kretanja će nastupiti trenutak u kome je brzina ravna nuli. Tada kazemo da se klip nalazi u mrtvoj tacki.Kod motornog mehanizma razlikujemo ustvari dve mrtve tacke koje kod vertikalnih motora možemo nazvati gornja i donja mrtva tačka (ili skraćeno GMT i DMT) uporedjujući položaj klipa prema ravni oslanjanja. Ovaj naziv je direktno vezan za položaj motora i mogao bi dovesti do nepotrebne zamene kada su u pitanju

7


drugi motori. Stoga se danas položaji mrtvih tačaka nazivaju prema njihovom rastojanju od ose kolenastog vratila pa položaj klipa u kome se on nalazi kad je najudaljeniji od ose kolenastog vratila naziva se spoljna mrtva tacka (SMT), a kad je najbliži unutrašnja mrtva tačka (UMT). Ovakvi nazivi su ustaljeni kod nas iako nisu najprecizniji. Mana ovih naziva je u tome što mogu izazvati nepotrebnu zabunu kada se radi o motorima bez klasičnog motornog mehanizma i tada ovi nazivi poprimaju potpuno drugo znacenje.

Mnogo bolje bi bilo položaje mrtvih tačaka definisati prema maksimalnoj i minimalnoj zapremini koju klip, svojim kretanjem u cilindarskoj košuljici postiže. U tom slučaju trebalo bi položaj klipa koji odgovara maksimalnoj zapremini cilindarskog prostora nazvati UMT, a položaj klipa koji odgovara minimalnoj zapremini SMT sto bi važilo za sve klipne motore. Indikatorski dijagram četvorotaktnog oto motora prikazan je na slici 4.

SLIKA 4

Za vreme takta ususavanja (I) klip se kreće iz SMT prema UMT (od minimalne zapremine prema maksimalnoj zapremini). Na slici 4 tačka i predstavlja najmanju zapreminu u cilindru motora, a tačka e predstavlja najveću zapreminu u cilindru motora. U početku ovog takta pored otvorenog ulaznog ventila struja punjenja (smeša benzinskih para ili čistog vazduha u zavisnosti da li je u pitanju

8


oto- ili dizel-motor) ustrujava u cilindar. Pomenuto ustrujavanje nastaje usled razlike pritisaka atmosfeskog vazduha i vakuuma koji nastaje u cilindru motora usled povećanja zapremine kao posledica kretanja klipa prema UMT.

Posle dolaska klipa u UMT počinje povratno kretanje tj. počinje da se kreće od UMT ka SMT, a u medjuvremenu će se zatvoriti ulazni ventil. Tada se prostor izmedju klipa, cilindarske glave i cilindarske košuljice neprestano smanjuje, u njemu se sveže punjenje sabija te nastupa takt kompresije (II). Na slici 4 ovaj takt je opisan krivom od e do i. Pri kompresiji nastaje povećanje pritiska i temperature manje kod oto, a više kod dizel motora. Pri kraju takta kompresije dolazi do upaljenja sveže smeše putem električne varnice, kod oto motora, ili ubrizgavanjem odredjene količine goriva u zagrejani vazduh što je karakteristično za dizel motore. Toplota koja se oslobadja pri sagorevanju dovodi do naglog porasta pritiska i temperature koji su sad znatno viši nego što su bili na kraju takta kompresije. Pod dejstvom pritisaka produkata sagorevanja klip počinje da se kreće od SMT prema UMT i vrši takt širenja ili radni takt (III), kako se on često zove. Produkti sagorevanja koji se nalaze u cilindru šire se (ekspandiraju) pri čemu se njihov pritisak i temperature menjaju odajući istovremeno odredjenu količinu korisnog mehaničkog rada potrebnog za savladjivanje aktivnih i pasivnih otpora u motoru.

Nakon takta širenja sledi takt izduvavanja (IV). U početku tog takta otvara se izlazni ventil pa klip pomerajući se iz UMT prema SMT istiskuje produkte sagorevanja u izduvni cevovod tj. atmosferu. Neki manji deo produkata sagorevanja ne uspe na vreme da izadje iz cilindra te zaostane u njemu ispunjavajući tzv. kompresioni prostor. Zato njih nazivamo zaostalim gasovima ili zaostalim produktima sagorevanja. Na ovaj nacin zaokružen je radni ciklus četvorotaktnog motora koji se pri radu motora neprekidno, istim redosledom ponavlja u svakom random cilindru. Primećujemo da u izvesnim delovima četvorotaktni motor vrši ulogu pumpe, naime taktovi usisavanja i izduvavanja koji su karakteristični za rad ovog motora podrzavaju rad pumpe pa ih često nazivamo i pumpnim taktovima, a takt kompresije i ekspanzije nazivamo radnim taktovima.

9


Prednosti četvorotaktnih motora su dobar kvalitet izmene energije, što omogućava dobru ekonomičnost. Sa obzirom da su potrebna četiri hoda klipa za realizaciju kompletnog ciklusa imamo relativno mali broj radnih taktova za odredjeni broj obrtaja motora tako da je dobijena snaga relativno ograničena. Uglavnom zbog svoje ekonomičnosti, ovi motori se u oto i dizel verziji široko koriste za motore malih, srednjih i velikih snaga.

ODREDJIVANJE ZAPREMINSKOG PROTOKA VAZDUHA

Vrlo važan aspekt kontrole goriva je merenje mase vazduha koji dospeva u cilindar. Iznos goriva koji je isporučen u cilindar moze biti proračunat kao željeni odnos vazduha i goriva. Ne postoji praktičan izvodljiv način direktnog merenja mase vazduha u cilindru. Ali, vazdušno punjenje moze biti odredjeno masenim protokom vazduha u motoru koji se rasporedjuje po cilindrima.

Postoje dve metode za odredjivanje masenog protoka vazduha u motoru. Prvi metod za odredjivanje masenog protoka vazduha koristi jedan senzor koji direktno meri maseni protok vazduha. Drugi metod koristi više senzora koji obezbedjuju podatke iz kojih maseni protok vazduha moze biti izračunat. Ova metoda je poznata kao speed-density metoda.

Sa obzirom da je masa vazduha u zapremini V, proizvod njegove gustine i zapremine imamo da je:

Ovaj koncept se moze proširiti na kretanje vazduha, kao sto se vidi na slici 5. Ovde se pretpostavlja da se vazduh kreće kroz posebnu cev ( npr. usisna grana motora) i prolazi kroz referentnu tačku za odredjeno vreme. Ovo je poznato kao zapreminski protok.

10


SLIKA 5

Maseni protok vazduha se računa kao proizvod zapreminskog protoka vazduha i gustine vazduha i zato je vrlo važno odredjivanje zapreminskog protoka vazduha. Dakle, maseni protok vazduha Rm je jednak proizvodu zapreminskog protoka Rv i gustine vazduha da:

Relativno bliska procena zapreminskog protoka vazduha (Rv) može biti odredjena korišćenjem jeftinih senzora. Kao sto je ranije rečeno motor igra ulogu vadušne pumpe tokom faze usisavanja. Ukoliko radi kao idealna pumpa on će da povuče zapreminu vazduha koja je jednaka hodu klipova u toku dva okretaja radilice. Za ovakav idealni motor, zapreminski protok bi bio jednak:

11


Ovo je idealni zapreminski protok gde je Rv zapreminski protok, D hod klipa, RPM brzina motora. Za ovaj idealni motor, ukoliko je poznato D, R v može biti dobijeno merenjem RPM (round per minute).Nažalost motor nije idealna vazdušna pumpa. Ustvari, stvarni zapreminski protok vazduha za motor koji ima hod klipa D i koji radi na brzini RPM je dat kao:

gde je nv zapreminska efikasnost.

Zapreminska efikasnost je broj izmedju 0 i 1 i zavisi od pritiska u usisnoj grani RPM za sve radne uslove motora. Za svaki dati motor, vrednost zapreminske efikasnosti može da se izmeri pri bilo kojim radnim uslovima i na osnovu tih vrednosti se formira tabela vrednosti zapreminske efikasnosti u zavisnosti od broja obrtaja (RPM) i masenog pritiska vazduha (MPA). Znajući hod motora, merenjem RPM-a i MAP-a i biranjem vrednosti nv-a za taj RPM i MAP, zapreminski protok vazduha Rv se moze izračunati na osnovu gornjeg izraza.

Bitno je napomenuti da kada računamo zapreminski protok vazduha moramo još jedan faktor uzeti u obzir. Recirkulacija izduvnih gasova zahteva da odredjeni deo punjenja u cilindru bude izduvni gas. Zbog ovoga, deo ukupne zapremine cilindra (hoda) D zauzima izduvni gas, stoga, zapreminski protok recirkulacionih izduvnih gasova mora biti poznat. Senzor pozicioniranja ventila u EGR ventilu može biti kalibrisan tako da daje protok vazduha.

Stvarna vrednost zapreminskog protoka vazduha Ra može biti odredjen oduzimanjem EGR (REGR) zapreminskog protoka od Rv. Ukupno punjenje cilindra vazduhom je dato izrazom:

Zapreminski protok recirkulacije izduvnog gasa je poznat iz pozicije EGR ventila i na kraju za zapreminski protok vazduha imamo (zamenom Rv-a) :

12


Ako znamo Ra i gustinu vazduha da onda je traženi maseni protok vazduha jednak :

Zatim ako znamo Rm, stohiometrijski maseni protok goriva jednak je:

Kontroler neprekidno računa Rm na osnovu Ra i da uključujući i temperaturu i generiše izlazni električni signal koji aktivira ubrizgavače goriva kako bi postigli stohiometrijski odnos izmedju mase vazduha i goriva. Videli smo da je zapreminski protok vazduha u motoru od velike važnosti jer na osnovu njega izračunavamo podatke (maseni protok vazduha, maseni protok goriva) neophodne za rad svakog motora.

13


KORIŠĆENA LITERATURA

- Kako radi motor.htm

- MOTORI-SA-UNUTRASNJIM-SAGOREVANJEM.htm

- Ciklus rada motora _ Automobilizam.htm

- t74520-cetvorotaktni-motori.htm

- viewtopic.php.htm

- Understanding Automotive Electronics (Copyright © 1998 by Butterworth–Heinemann)

14

Documents

Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikues.elfak.ni.ac.rs/Seminar works AUTO/Cetvorotaktni ciklus... · Web viewVrlo važan aspekt kontrole goriva je merenje mase vazduha