323
Motori i Motorna Vozila Izvodi iz nastave

Motori i Motorna Vozila 1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

SVe o motorima sa unutrasnjim sagorevanjem

Citation preview

Motori i Motorna Vozila

Izvodi iz nastave

Izvodi iz istorije motora• 1860 Lenoar, prvi klipni motor sa unutrašnjim sagorevanjem, bez takta

sabijanja, neefikasano (50 milja na tri točka)

• 1862 Roša, teorijski proces četvorotaktnog motora sa sabijanjem pre sagorevanja, efikasno (samo patent četvorotaktnog motora, ne i motor)

• 1876 Oto, praktičan četvorotaktni motor sa paljenjem varnicom

• 1887 Dajmler* i Benc, primena klipnog motora za pokretanje automobilaPraktična upotreba motora za vozilo pokreće razvoj motora

• 1890 Majbah, četvorocilindrični četvorotaktni motor

• 1892 Dizel, četvorotaktni motor sa samopaljenjem(2 god. ranije teorijski ciklus)

• 1956 Vankel: Rotaciono ekscentrično kretanje klipa (trohoida)Zamena oscilatorno – pravolinijskog kretanja klipa obrtnim kretanjem klipa

MOTOR

Definicija:

Klipni motor sa unutrašnjim sagorevanjem je toplotni motor koji toplotnu energiju, dobijenu sagorevanjem goriva, pretvara u mehanički rad.*

SUS: Sa Unutrašnjim Sagorevanjem

Četvorocilindrični klipni motoruzdužni presek

Četvorocilindrični klipni motorpoprečni presek

Četvorocilindrični klipni motoruzdužni presek

Četvorocilindrični klipni motorpoprečni presek

Rad u p,V dijagramu*kod promene stanja radnog tela

2 2

1 1

g

g

V V

V V

Fp

S

W F h

W p S h

W p V

W pdV

W pdV f V dV

Rad u p,V dijagramu predstavljen je površinom, zbog čega je ovaj dijagram nazvan “Radni dijagram”. (Površina u p,V dijagramu pedstavlja rad).

Površina koja predstavlja rad je omeđena:

•Krivom AB procesa

•Ordinatama u krajnjim tačkama – stanjima procesa

•Odsečkom (V2 – V1) na apscisi

U toku širenja radnog tela (ekspanzija) rad se dobija, znak “+”

U toku sabijanja radnog tela (kompresija) rad se troši, znak “-”

Prvi princip termodinamikeDefinicija

Kada se obavlja mehanički rad W, uvek se dobija i određena količina toplote Q*

i obrnuto:Kada se ima količina toplote Q, može da se dobije

mehanički rad W

Q W

Prvi princip termodinamike je zakon o održanju energije za toplotu.

(Prvi princip t.d. govori o procesima kojima se rad može dobiti iz toplote).

Prvi princip termodinamikeKoličina toplote Q, unutrašnja energija U i rad W

,I IIQ U W

Q dU W

Q dU pdV

U procesu I - II pomeranja klipa radnom telu – gasu se dovodi količina toplote Q.

Dovedena količina toplote Q troši se na promenu unutrašnje energije U radnog tela i na rad W.

Toplota povećava unutrašanju energiju, a rad je smanjuje – troši toplotu: UI > UII

Povećanje unutrašnje energije daje višu temperaturu gasa T i veći pritisak p.

Drugi princip termodinamikeDefinicija

Toplota može da vrši rad samo ako sa tela više temperature prelazi na telo niže temperature.

Za toplotni motor sa periodičnim radom moraju postojati (najmanje) dva izvora toplote, jedan sa višom (zagrejač) i jedan sa nižom (hladnjak) temperaturom.

Ne može se iskoristiti sva dovedena toplota, već se jedan deo neizbežno mora predati hladnjaku, neiskorišćen za dobijanje rada.

(Drugi princip t.d. govori o uslovima za dobijanje rada iz toplote).

Kako obuhvatiti površinu – dobiti rad u p,V dijagramu?

• Koje krive stoje na raspolaganju za obuhvatanje površine?

• Kako izabrati krive tako da “okruže” površinu i da okružena površina bude što veća?

Promena stanja idealnog gasa*Opšta – politropska promena

n

n

pV const

constp f V

Vhiperbola

p = pritisak

V = zapremina

n = izložilac politrope

Jednačina politrope daje krive kojima se može obuhvatiti površina,u radnom, p,V dijagramu. Dobija se integraljenjem iz diferencijalnog oblika prvog principa t.d. i Majerove jednačine cp = cv + R (za 1kg gasa)

Posebni slučajevi promene stanja idealnog gasa

1 0

0

1

n n

n

p const

n

pV const

pV mRT T const

n

pV const p V p V const

V const

izobara

izoterma

izohora

0

0

1

1,4

1

_

p p

v v

q q

qc

dTc c c

nc c c

najcesce

n

toplota mehanicki rad

adijabata

npV const

n

( )n

constp f V

V

Krive promene stanja p f V

0

1 0

constp const

Vconst const

V constp

p

1pV mRT const T const

constp izoterma

Vconst

p adijabataV

1 1,4

const const

V V

Nepovratni procesi Povratni procesi

Opšti kružni procesTermodinamički stepen korisnosti

Radno telo se vraća u početno stanje kad obavi rad – r.t. vrši kružni ciklus

Desnokretno*:

• 1 – 2 dovođenje toplote Q i obavljanje rada W (širenje)

• 2 – 1 odvođenje toplote Q0 i trošenje rada W0 (sabijanje)**

• Adijabate tangiraju kružni proces u tačkama 1, 2 i u tim tačkama se menja znak toplote i rada

Termodinamički stepen korisnosti je odnos između toplote pretvorene u rad i ukupno dovedene toplote u ciklusu. Uvek je manji od jedan.0

0

1k kt

k k

Q Q Q W

Q Q Q

Q W W W

Teorijski ciklusi*oto i dizel

1 2 : 0

2 3:

3 4 : 0

4 1:

oto

Q

V const

Q

V const

1 2 : 0

2 3:

3 4 : 0

4 1:

dizel

Q

p const

Q

V const

Teorijski ciklusiLenoar*

1 2 :

2 3:

3 4 : 0

4 5 :

5 1:

p const

usisavanje

V const

Q

V const

p const

izduvavanje

Deo 1 – 2 ciklusa (usisavanje) ne zatvara nikakvu površinu na p,V dijagamu

Ciklus četvorotaktnog motorasa i bez prigušenja

• Bez prigušenja (levo) nema pumpnog rada(rad utrošen na usisavanje svežeg punjenja i na izduvavanje produkata sagorevanja

• Sa prigušenjem (desno) postoji pumpni rad, krive su zaobljene

Dobijanje rada iz toplote u motoru SUSU rečima

• Toplota, dobijena sagorevanjem goriva, daje porast unutrašnje energije radnog tela u radnom prostoru motora. Temperatura i pritisak radnog tela rastu.

• Pritisak radnog tela na gornju površinu klipa daje silu pritiska gasa.

• Sila pritiska gasa pomera klip i vrši rad širenjem radnog tela

• Ostatak toplote radnog tela posle širenja u vidu unutrašnje energije r.t. predaje se okolini

• Dovedena toplota: Zagrejač, izvor toplote• Odvedena toplota: Hladnjak, ponor toplote• Radno telo: Transformacija, od smeše goriva i vazduha

do gasovitih produkata sagorevanja• Pomeranje klipa menja zapreminu radnog prostora

gF

W pdV

IIU Q pdV

II IV V V

IQ U

Jednačina kontinuiteta za fluid u stacionarnom kretanju

3

1 1 1 1 1 1

21 21 1 1 1 2 2 2 2 3

1 2

; _ , _

: _ _ _ . . _ _

_ _ :

, , _

_ _

mm V m kg v m gustina

V

m V Av t t prirast mase na popr pres za vreme t

protok mase fluida

m m kg m kgm Av m A v m m

t t m s s

m m m const zakon o odrzan

1 1 1 2 2 2

1 2

32

1 1 2 2 1 2 1 2

_

, _ _

, _

_ _ , :

, _ , ; ( )

ju mase

m Av A v const

const nestisljiv fluid

m Av const

mV zapremina

V m mV

t t

protok zapremine fluida const

m mV Av A v const V m A A v v

s s

Bernulijeva jednačinaza fluid* u stacionarnom kretanju

2 21 1 1 1 1 2 2 2 2 2

1 2

2 21 21 1 2 2

2

1 2

1 2 1 2

2

_ _ _ _ _ _ _ _

1 1

2 2

, _ _

1 1

2 2

1

2

,

1

2

Zakon o odrzanju energije za fluid u stacionarnom toku

v p gh v p gh const

const nestisljiv fluid

p pv gh v gh const

v p gh const

h h h

v v p p

v d

2

3 2 2 2 2

2

3 2 2 2 2

_ ,

_ ,

_ ,

kg m kg m Ninamicki pritisak Pascal

m s m s m

Np staticki pritisak Pascal

m

kg m kg m Ngh polozajni pritisak m Pascal

m s m s m

Osnovni delovi motora

• Pokretni delovi– Klip sa prstenovima i osovinicom– Klipnjača sa ležištima– Kolenasto vratilo (radilica) sa ležištima i zamajcem– Bregasto vratilo (osovina)– Ventili

• Nepokretni delovi– Glava motora– Blok sa cilindrima ili košuljicama– Kućište (karter)

Osnovni delovi motora

Motorni mehanizamUloge elemenata

• Klip, klipnjača i kolenasto vratilo sa zamajcem čine motorni mehanizam

– Klip pretvara pritisak gasa u silu i svojim kretanjem silu u mehanički rad

– Klipnjača pretvara pravolinijsko kretanje klipa u kružno kretanje radilice i time silu u obrtni moment (ravno kretanje). Povezuje klip i radilicu.

– Kolenasto vratilo predaje obrtni moment potrošaču (zamajac)

Mehanizam razvodaradnog tela

• Bregasto vratiloPokreće ventile za izmenu radnog tela.Radno telo kod usisavanja čine vazduh pomešan sa gorivom ili samo vazduh*, posle sagorevanja produkti sagorevanja.Za dva obrta radilice bregasto vratilo četvorotaktnog motora napravi jedan obrt: Po jednom se otvori usisni i izduvni ventil.

• VentiliUsisni i izduvni, zatvaraju i otvaraju prolaz radnom telu i upravljaju izmenom radnog tela.

Gorivo se može dodavati karburatorom, ili ubrizgavati u usisni kolektor (single point) ili u usisni vod u blizinu usisnog ventila (multi point) ili direktno u cilindar

Radni prostor

Glava motora, blok motora i klip čine radni prostor promenljive zapremine.Zapreminu rad.pr. menja klip svojim kretanjem u cilindru.

U radnom prostoru se obavlja

– radni proces uz dobijanje rada– izmena radne materije uz trošenje rada

– Klip se kreće u bloku motora između:

SMT – Spoljne “Mrtve” Tačke iUMT – Unutrašnje “Mrtve” Tačke

SMT i UMT su krajnji položaji do kojih klip dolazi u kretanju*

Radna, Kompresiona i Ukupna zapremina

• Radna zapremina Vh je zapremina određena hodom h klipa i prečnikom D cilindra poprečnog preseka S= D2/4

Vh = hS

• Kompresiona zapremina Vc je zapremina radnog prostora koja preostaje po dolasku klipa u SMT.(To je komora za sagorevanje čija se zapremina računa ili meri).Kompresija = sabijanje

• Ukupna zapremina Vu je zbir radne i kompresione zapremine (klip u UMT).

Vu = Vh + Vc

Stepen kompresije

Stepen kompresije ili stepen sabijanja motora je odnos između ukupne zapremine i kompresione zapremine cilidra.

Viši stepeni kompresije daju više rada u pV dijagramu.

Oto motori su ograničeni u stepenu kompresije fenomenom detonativnog sagorevanja.

Dizel motori su ograničeni u stepenu kompresije porastom masa i sa porastom mase inercijalnim silama.

u h c

c c

V V V

V V

Moment i snaga motoraSnaga motora je maksimalna efektivna snaga

(zamajac) motora pri punom otvoru leptiraFizičko značenje snage jeste količina rada u

jedinici vremena

a. Statički moment T [Nm] je proizvod sile F [N] i kraka l [m] sile

b. Dinamički moment se vezuje za snagu P [W] motora preko obrtanja [rad/s] ili n [o/s] kolenastog vratila u vremenu t [s], polazeći od rada W [Nm=J] na putu s [m] sile F [N].

Snaga motora jednaka je proizvodu momenta motora i ugaone brzine motora, iskazane u [rad/s], gde je (rad [m]), ili celih obrtaja 2n [o/s].

Snaga se ne može neposredno meriti jer je računska veličina po obrascu za snagu.

Probni – radni stolovi za “merenje snage”:Kod nalaženja krive snage P motora meri se moment

T [Nm] (na kočnici) i pripadajuća brzina n [o/min] motora. Potom se snaga izračunava za svaku željenu tačku krive.

.

.

2

2

a

T F l

b

W F s

W sF F v F r

t tP T

n

P Tn

Poređenje oto i dizel motora po momentu i broju obrtaja kod dobijanja snage

Dizel motori imaju veće momente od oto motora za jednake snage.

Veći momenti dizel motora pri istim snagama ostvaruju se većim radnim zapreminama motora.

Brzohodi dizel motori ne prelaze lako brzine od 4000 [o/min].

Oto motori lako dostižu brzinu od 7200 [o/min].

Razlike u brzinama oto i dizel motora potiču od prirode ciklusa po kojima rade i razlike u masama.

Dovođenje toplote u dizel motoru je razvučeno po izobari, paljenje je spontano: Nema tačnog trenutka upaljenja smeše kao kod oto motora varnicom, smeša je heterogena umesto homogena.

Masa mašinskih elemenata zbog većih stepena kompresije ne dopušta velike brojeve obrtaja.

2

2

2D D D

O O O

D O

D D O O

OD O

D

O D D O

P Tn

P T n

P T n

P P

T n T n

nT T

n

n n T T

Elastičnost motora*Elastičnost motora je sposobnost motora da

poveća obrtni moment pri smanjenju broja obrtaja kod porasta spoljnih otpora.

Oto motori su prirodno elastičniji od dizel motora.Sa dizel motorim se češće menjaju stepeni prenosa pri

porastu opterećenja (brdo).

Orijentacione vrednosti:Oto: ET = (1.25-1.45), En = (1.5-2.5)Dizel: ET = (1.05-1.25), En = (1.3-1.6)

Odnosi su takvi da je elastičnost broj uvek veći od jedan.

Manje elastični motori moraju imati više stepeni prenosa od više elastičnih motora da bi bili dobro iskorišćeni.

max

max

max

maxT

P

Pn

T

TE

T

nE

n

Dijagram elastičnosti motora*

Ubrzanje i maksimalna brzina vozila*

Iz jednačina ravnoteže sile Fo vuče vozila u kojoj učestvuju spoljni otpori i inercijalne sile, sledi:

1. Tokom ubrzanja, dv/dt > 0, što je veći moment motora ubrzanje vozila biće veće, jer preostaje više momenta (snage) motora za ubrzanje posle savlađivanja spoljnih otpora.

2. Kad ubrzanje prestane, dv/dt = 0, vozilo dostiže maksimalnu brzinu, v = vmax = const, n = const.Sva snaga (moment) motora troši se na savlađivanje spoljnih otpora

Sa motorima malih radnih zapremina mogu se dobiti velike snage P i time velike maksimalne brzine, ako se brzo okreću.(Primer F1: n = 18 000 o/min, ograničeno)

22

max

1cos sin

2 2

0 0

2

eo dr w cl inTr inRot out in t t

d

od

o o d out in

in

out

TF F F F F F F F i

r

G dv dvF KAv Gf G J

g dt dt r

P F v F r T n T T

dva T

dtP nT

v v const

n const

Dijagram sila otpora kretanju vozila*

Ubrzanje i maksimalna brzina vozila sa dizel i oto motorom

P=2T·n (snaga)Za iste snage, posmatrajući formulu• Sa većim momentima T i manjim brojem n obrtaja dizel motori bolje ubrzavaju vozilo

od oto motora, jer im preostaje više momenta posle savlađivanja spoljnih otpora.Imaju veće radne zapremine zbog manjeg broja n obrtaja.

• Sa manjim momentima T većim brojem n obrtaja oto motori lošije ubrzavaju od dizel motora jer im preostaje manje momenta posle savlađivanja spoljnih otpora.Imaju manje radne zapremine zbog većeg broja n obrtaja.

U praksi, zbog manjih brojeva obrtaja za iste maksimalne brzine vozila sa dizel motorima načelno moraju imati manje redukcije u transmisiji, (direktnije prenose), što smanjuje vučnu silu vozila. Osim toga, mase motora koje transliraju i rotiraju (klipovi, klipnjače, kolenasto vratilo, zamajac) su veće nego kod oto motora pa su i njihove inercijalne sile veće, što umanjuje intenziet ubrzanja.* Ukupan rezultat je oko 200 ccm veća radna zapr. dizel od oto oko 1500 ccm, za iste snage.

Deo popularnosti vozila sa oto motorom zasniva se upravo na činjenici da razvijaju slične maksimalne brzine kao dizel motori, a da imaju manje radne zapremine. Ipak, sa stanovišta bezbednosti sobraćaja značajno je ubrzanje, a ne maksimalna brzina. Vozilo koje bolje ubrzava je bezbednije u preticanju. Drugi deo popularnosti leži u tome što su oto motori “življi”, više se okreću i lakše povećavaju broj obrtaja zbog manjih masa i precizniji su na pedali gasa od dizel motora.

“Moment dobija trku, snaga prodaje vozilo”

je izreka kojom se stavlja do znanja da su za takmičenja važna ubrzanja, a za kupce maksimalne brzine

Idealan i stvaran moment*Idealno iskorišćenje snage motora

dobiće se ako je snaga maksimalna i konstantna u celom području broja obrtaja. (Hiperbola).

Kada je

P = Pmax = const

sposobnost motora za transformaciju energije je najveća.

Idealan i stvaran moment motora se veoma razlikuju – transformacija energije toplotnih klipnih motora je nepovoljna.

2P Tn const

constT

n

Broj obrtaja motora pri maksimalnom momentu i maksimalnoj snazi

a. Prirast momenta pri maksimalnoj snazi je negativan*.b. Prirast snage pri maksimalnom momentu je pozitivan*.

Sa porastom broja obrtaja prvo moment dostiže maksimum, a posle toga snaga dostiže maksimum.

U početku sa porastom broja obrtaja rastu i moment i snaga.U jednom području broja obrtaja snaga raste iako moment

opada.Na kraju opadaju i moment i snaga i stiču se u nuli.

Do pada momenta sa povećanjem brzine motora na višim brojevima obrtaja dolazi zbog povećanja otpora strujanja na strani usisa. Opada zapreminska efikasnost. Potrebno je da usisni ventili budu duže otvoreni. Istovremeno rastu i unutrašnji otpori u motoru - trenje. Na kraju sva snaga preostala posle savlađivanja spoljnih otpora odlazi na savlađivanje unutrašnjih otpora, a vozilo ne ubrzava.

Može se napraviti šema razvoda ventila i za vrlo visoke brojeve obrtaja tako da ventili budu duže otvoreni (takmičenja). Međutim, tada će motor biti neekonomičan na srednjim brzinama i imati nestabilan rad na manjim brzinama zbog velikog preklapanja ventila. (Rešenje: VVT).

2

.

2

0

0

.

2

1 10

0

a

P T n

dP dTn T

dn dndT T

dn n

b

PT

n

dT dPP

dn n dn ndP P

dn n

Tipične krive momenta i snage oto motora sa prirodnim usisavanjem

Prirast momenta i snage*

Dijagram stepena prenosa menjačkog prenosnika prema idealom momentu*

Efikasnost oto motora• Toplotna efikasnost

– Drugi princip termodinamike – ne može se iskoristiti sva dovedena toplota za dobijanje rada: Topli izduvni gasovi odlaze u atmosferu. Nepoklapanje idealnog i stvarnog ciklusa, jer se ne mogu ostvariti uslovi za odvijanje idealnog ciklusa: Brzina dovođenja i odvođenja toplote je konačna (± Q/t<<∞), a ekspanzija ne ide ni do atmosferskog pritiska. Gas nije idelan, cv const. Gubitak 45%.

– Toplotni gubici u razmeni toplote sa zidovima cilindra, odakle se toplota delom zrači, a delom predaje rashladnoj tečnosti. Nema potpunog sagorevanja: Nastanak ugljenmonoksida u izduvu. Neefikasno sagorevanje u blizini hladnih zidova cilindra gde se plamen gasi: Nastanak ugljovodonika. Gubitak 15%.

– Stehiometrijska smeša =1, (“idealno sagorevanje”) neophodna za rad sa trostepenim katalitičkim konvertorima. Nije potpuno homogena, pa je potrošnja goriva veća. Manja potrošnja goriva je sa =(1.1 – 1.3), gde više vazduha obezbeđuje bolju prisutnost kiseonika oko molekula isparenog goriva. Gorivo je bolje iskorišćeno. Međutim, siromašnija smeša sporije sagoreva, pa je linija dovođenja toplote po izohori u pV dijagramu pomerena udesno i zahvata manje površine. Gubitak 7%.

– Izmena radne materije – pumpni rad. Gubitak 10%.

• Mehanička efikasnost– Trenje pokretnih delova motora: klip sa klipnim prstenovima, ležaji radilice,

bregasti mehanizam (indiciran i efektivan rad).– Pogon pomoćnih agregata – pumpa za ulje, gorivo, hlađenje, alternator...

Gubitak 10%.

Preostaje za pokretanje vozila 13%

Mere za povećanje efikasnosti oto motora:Područje rada turbokompresora*

Mere za povećanje efikasnosti oto motora

Indirektno i direktno ubrizgavanje• Indirektno ubrizgavanje – ubrizgavanje u usisne vodove

Gorivo uzima toplotu za isparavanje od okolnog vazduha i sa (relativno) toplih zidova usinih vodova. U cilindar ulazi ugrejana smeša, pa je krajnja temperatura sabijanja viša. To snižava konstruktivan stepen kompresije zbog ograničenja usled detonativnog sagorevanja. Niži stepen kompresije daje manje rada (pV dijagram).

• Direktno ubrizgavanje – ubrizgavanje u cilindar motora Gorivo uzima toplotu za isparavanje od vazduha u cilindru. Isparavanje goriva u cilindru hladi vazduh. Početna temperatura vazduha se snižava, pa je i krajnja temperatura sabijanja niža*. Moguće je konstruktivno koristiti veći stepen kompresije.

• Slojevito punjenje** je poseban slučaj direktnog ubrizgavanja. Gorivo se ubrizgava u taktu kompresije (pri kraju) u pravcu svećice. Zajedno sa vazduhom u prostoru se formira gorivi sloj oko svećice u vidu oblaka magle. Gorivi sloj je okružen negorivim slojem vazduha ili mešavine vazduha i recirkulisanih izduvnih gasova (EGR). Termička izolacija gorivog sloja (u prostoru) negorivim slojem sprečava razmenu toplote sa zidovima cilindra u toku sagorevanja. Leptir je potpuno otvoren, nema prigušenja, smanjuje se pumpni rad usisa.Maksimalna količina usisanog vazduha ili vazduha i recirkulisanih gasova (nerazređen vazduh na početku sabijanja daje najveći stepen kompresije na kraju sabijanja i najviše rada (pV dijagaram). Nedostatak: Koncept slojevitog punjenja koristi mali deo radne zapremine i radi sa malom količinom goriva – toplote, pa je dobijeni moment mali. Broj obrtaja je takođe mali, pa je i razvijena snaga mala. Moguće je savladati samo manja opterećenja.

• Siromašna smeša >1 ili smeša sa viškom vaduha je ekonomičnija od stehiometrijske =1. Međutim, nije primenljiva za motore koji imaju samo trostepeni katilizator za neutralizaciju štetnih materija u izduvnim gasovima.

“Idealno” sagorevanje u homogenom radu

“Idealno” sagorevanje je sagorevanje sa homogenom i stehiometrijskom smešom =1.

Ipak, iako je smeša kvantitativno stehiometrijska, kvalitativno gorivo se kondenzuje na zidovima cilindra, što remeti homogenost ukupne smeše u prostoru za sagorevanje.

Na zidovima cilindra je <1, što znači da je u ostatku prostora >1*. Plamen napreduje sporije kroz smešu sa viškom vazduha, kriva dovođenja toplote se pomera u desno u pV dijagramu, dobija se manje rada.

Kada plamen dođe u blizinu zidova cilindra, toplota se troši na promenu faze kondenzovanog goriva na zidu – isparavanje goriva. Bogata smeša nastala isparavanjem goriva sa zidova cilindra uz nedovoljno vazduha daje ugljovodonike u produktima sagorevanja, čemu doprinosi i slabljenje plamena usled isparavanja goriva, što zahteva toplotu.

Nastaju i toplotni gubici kroz razmenu toplote iz cilindra sa zidovima kod kondenzacije goriva, a potom i kod sagorevanja smeše blizu zidova. Toplota predata zidovima odlazi kroz hlađenje cilindra u okolinu (atmosfera) zračenjem i preko rashladne tečnosti.

Gubici toplote motora i dobijen mehanički rad*

Struktura uštede goriva kod direktnog ubrizgavanja i slojevitog punjenja• Sagorevanje bliže “idealnom”* u gorivom sloju i smanjenje toplotnih gubitaka kroz

zidove prostora za sagorevanje 5% (kvalitet sagorevanja i toplotne izolacije gorivog sloja)

• Učestan rad sa umanjenim pumpnim gubicima 5% (manje prigušenje leptirom)

Slojevito punjenje je toplotno izolovano od okoline jer je okruženo vazduhom i/ili vazduhom i izduvnim gasovima, nema razmene toplote sa okolinom zbog čega je ekonomičnije u odnosu na homogeno. Pri slojevitom punjenju leptir je potpuno otvoren.

Podela motora

• Prema ciklusu– Oto– Dizel

• Prema taktnosti (izmeni radne materije)– Četvorotaktni– Dvotaktni

• Prema konstrukciji– Broj, položaj i raspored cilindara1,2,3,4,5,6*,8,10,12* - cilindričniVertikalni, horizontalni, nagnutiLinijski, “V”, (“W”) (kraći blok), “B” – bokser (klipovi u susret)...

*Motori čiji su momenti i sile inercije prvog i drugog reda prirodno uravnoteženi – bez dodavanja protivtegova na kolensto vratilo

Taktnost motora i izmena radne materije

• Četvorotaktni

– Četiri hoda klipa, dva obrta radilice za jedan ceo ciklus za dobijanje korisnog rada i obavljanje pumpnog rada (pump.)

– Taktovi (geometrijski):• Usisavanje (pump.)• Sabijanje (ciklus)• Širenje (koristan rad)• Izduvavanje (pump.)

Prikaz rada i taktova četvorotaktnog motora

Taktnost motora i izmena radne materije

• Dvotaktni– Dva hoda klipa, jedan obrt radilice za ciklus– Taktovi:

Hod klipa ka SMT:Usisavanje (ispod klipa – u kućište motora) + Sabijanje (iznad klipa)

Hod klipa ka UMT:Širenje (iznad klipa, dobijanje rada), Izduvavanje (otvaranje izduvnog kanala)Ubacivanje svežeg punjenja i ispiranje (otvaranje prelivnog kanala)

Proces sagorevanja je isti kao i kod četvorotaktnih motora, padvotaktni motori mogu da rade i po oto i po dizel ciklusu*(Ako usisavanje nije u kućište motora – bez prelivnog kanala, potreban

je napojni kompresor sa malim nadpritiskom)

(Dvotaktni oto motori koji se podmazuju mešavinom i usisavaju smešu u kućište mogu da rade i u obrnutom smeru – način podmazivanja to omogućava)

Prikaz rada i taktova dvotaktnog motora

Taktovi i procesi

Geometrijski taktovi i stvarni procesi se u praksine podudaraju!

Naprimer: Proces sagorevanja se odvija i u taktu sabijanja

Razlog: Inercija u paljenju goriva/smeše

Ispiranje i preklapanje ventila

Stanje u radnom prostoru na kraju izduvavanja:

• U kompresionoj zapremini nalaze se zaostali gasovi od procesa sagorevanja

• Struja sagorelih gasova usmerena je ka izduvnom ventilu

• Klip je u SMT (i ne ulazi u kompresionu zapreminu)

Pitanje za bolje punjenje motora pri velikom opterećenju:Kako izbaciti zaostale gasove iz kompresione

zapremine?Zaostali gasovi nemaju kiseonika za sagorevanje, a

zauzimaju deo prostora koji bi se mogao napuniti svežom smešom za dobijanje više rada.

Ispiranje i preklapanje ventila

• Usisni ventil se otvara pre kraja takta izduvavanja

• Sveže punjenje kroz usisni ventil ulazi u cilindar• Koristi se inercija struje sagorelih gasova usmerenih ka

izduvnom ventilu: Strujanje sagorelih gasova se ne okreće ka usisnom ventilu – ne odlazi u usisini vod kroz otvor usisnog ventila

• Sveže punjenje ustrujava kroz usisni ventil, zauzima prostor u kompresionoj zapremini, potiskuje sagorele gasove ka izduvnom ventilu i “ispira” radni prostor

Iako se radni prostor ispira, sveže punjenje i sagoreli gasovi se ipak mešaju. Po završetku izduvavanja uvek zaostaje jedan deo sagorelih gasova u cilindru.

Ispiranje i preklapanje ventila• Kod ispiranja istovremeno su otvoreni usisini i izduvni ventil:

Ventili se “preklapaju”

• Ugao koji napravi kolenasto vratilo za vreme kada su istovremeno otvoreni izduvni i usisini ventil zove se“ugao preklapanja ventila”

• Brzina klipa kod ispiranja je mala:Klip prolazi kroz SMT, gde menja smer kretanja.Kada klip menja smer kretanja, brzina klipa jednaka je nuli.

• Brzina struje kod ispiranja zavisi od brzine motora.Ispiranje daje efekte na visokim brojevima obrtaja – velikim brzinama motora. Na malim brzinama preklapanje ventila škodi: Ustrujavanje je sporo, efekat ispiranja izostaje, a klip deo izduvnih gasova kroz usisni ventil potiskuje u usisni vod. Izduvni gasovi se potom, kad klip krene ka UMT, vraćaju u cilindar. Punjenje svežom smešom i/ili vazduhom se smanjuje, nehomogenost smeše je izrazita, pa motor radi nestabilno. (AVT).

Ispiranje radnog prostora na kraju takta izduvavanja*

Trajanje procesa izduvavanja po taktovima

• Proces izduvavanja počinje na kraju takta ekspanzije• Nastavlja se u toku takta izduvavanja• Produžava se u taktu usisavanja

Prema tome:Geometrijski, proces izduvavanja zahvata tri takta

Izduvavanje je pražnjenje radnog prostora od produkata sagorevanja

Usisavanje i preklapanje ventila

Na otvaranje i ugao otvaranja usisnog ventila na početku takta usisavanja utiču dva faktora:

1. Efikasnost procesa ispiranja za trenutnu brzinu motoraRanije otvaranje ventila za veće brzine, kasnije za manje brzine

2. Uslov za bezudarni dodir bregastog para – brega bregastog vratila i podizača ventila na početku otvaranja ventila:Mala brzina odizanja ventila sa sedišta na početku otvaranja ventila. Protočna površina na malo odignutom ulaznom ventilu je mala, prigušenje na usisavanju veliko, pa ispiranje nije efikasno.Ranije otvaranje usisog ventila u principu za punu površinu protočnog preseka povećava ugao preklapanja ventila.

Usisavanje i inercija struje kod punjenja radnog prostora

(volumetrijska - zapreminska efikasnost)Stanje u radnom prostoru na kraju usisavanja:• Sveže punjenje ustrujava u radni prostor• Struja svežeg punjenja ima inerciju

Inercija struje punjenja je veća ukoliko je brzina motora veća (kinetička energija fluida je veća)

• U radnom prostoru pritisak je malo manji od spoljnog• Klip se nalazi u UMT

Brzina klipa pri prolasku kroz UMT je nula: Klip pri prolasku kroz UMT menja smer kretanja.

Koristi se inercija struje svežeg punjenja: Usisni ventil se zatvara posle prolaska klipa kroz UMT, čime se poboljšava punjenje radnog prostora. Naročito važno za brzohode motore.

Pri većim strujnim brzinama moguće je ubaciti u cilindar do 10% više punjenja nego što je veličina radne zapremine.

Trajanje procesa usisavanja po taktovima

• Proces usisavanja počinje na kraju takta izduvavanja (preklapanje ventila)• Nastavlja se u toku takta usisavanja• Produžava se u taktu sabijanja

Prema tome:Geometrijski, proces usisavanja zahvata tri takta

Za poboljšanje punjenja tokom usisavanja koriste se pored inercije struje i oscilovanje “gasnog stuba” u usisnim vodovima – poremećaji pritiska izazvani otvaranjem i zatvaranjem usisnog ventila. (“Dinamičko nadpunjenje”).

Usisavanje je punjenje radnog prostora novim radnim telom. U opštem slučaju radno telo čine vazduh, gorivo, recirkulisani izduvni gasovi,

pare goriva (evap-oto) i gasovi iz kućišta motora. (Ulje iz gasova treba da bude izdvojeno-separirano i vraćeno u kućište motora).

Dijagram preklapanja ventila*

Visina izdizanja ventila (ordinata) u zavisnosti od ugla (apscisa) kolenastog vratila kod izmene radnog tela

L1: Veće preklapanje ventila za veće brzine motora i veće visine izdizanja ventila

L2: Manje preklapanje ventila za manje brzine motora i manje visine izdizanja ventila

Dijagram izmene radne materije i šema razvoda*

• Levo: Izmena radne materije – pumpni radNa šemi je po pritisak okoline, pr pritisak izduvavanja, pa pritisak usisavanja: pr > po >pa

• Desno: Šema razvoda oto i dizel motoraUglovi otvaranja i zatvaranja usisnih i izduvnih ventila sa preklapanjem ventila

Punjenje cilindraoto i dizel motora*

Punjenje cilindra čine:1. Vazduh2. Gorivo3. Pare goriva i vazduha (3)4. Zaostali izduvni gasovi5. Recirkulisani izduvni gasovi

(3) Dizel motor nema uvođenje para goriva i vazduha –“evap system” zbog manje isparljivosti goriva i prirode ciklusa-samopaljenja.

Ubacivanje para dizel goriva u toku usisavanja imalo bi za posledicu upaljenje goriva u taktu kompresije, u trenutku dostizanja temperature samopaljenja goriva pre paljenja ubrizganog goriva.Rezultat: Gubitak snage tokom kompresije uz mehaničko i termičko naprezanje motora.

Punjenje cilindra – oto motor• Recirkulacija izduvnih gasova povratkom kroz poseban vod – spoljna

(eksterna) na usis motora se vrši da bi se za vreme rada sa siromašnom smešom snizila najviša temperatura sagorevanja.Visoka temperatura sagorevanja (>2000K) produkuje azotne okside NOx.. Količina izduvnih gasova koja se ubacuje u cilindar kontroliše se EGR ventilom kojim upravlja računar.

• Na malim brojevima obrtaja (<2000) struja usisa je spora pa zbog preklapanja ventila zaostali sagoreli gasovi mogu dospeti kroz usisni ventil u usisini vod kada je pritisak u usisnom vodu manji od pritiska u izduvnom vodu. (U usisnom i izduvnom vodu postoje stalne pulsacije pritiska).

– Kod većeg punjenja (opterećenja motora) – rada sa bogatom smešom, vraćanje izduvnih gasova kroz usisni ventil u usisni vod je nepoželjno. Za nepromenljivu šemu razvoda može se umanjiti dinamičkim efektima struje preko promenljive geometrije usisa, ili otkloniti nadpunjenjem.

– Kod manjeg punjenja (opterećenja motora) – rada sa siromašnom smešom u slojevitom radu, vraćanje izduvnih gasova kroz usisni ventil u usisni vod je poželjno. Tada se to naziva “interna” recirkulacija. Interna recirkulacija izduvnih gasova se efikasno ostvaruje promenljivom šemom razvoda, VVT, kada je moguće umanjiti ili odstraniti potrebu za EGR – ventilom.

Motor može biti opterećen više ili manje na svakom broju obrtaja. Velika opterećenja motora naročito na niskim brojevima obrtaja povišavaju temperaturu sagorevanja. Tada se dovodi značajna količina toplote po ciklusu (WOT), raste moment motora, a mehanički rad sporo odvodi-ekspanzija je spora.

Pumpni rad, oto i dizelpriroda gubitaka

• Pumpni rad – rad za izmenu radnog tela uzima deo rada dobijenog iz motora

– Za vreme usisavanja klip radi protiv pritiska u kućištu (pritisak okoline) koji mora da savlada i za to troši rad (1 cil.Kod više cil.strujanje iz jednog u drugi deo kuć.).Takođe, motor mora savladati otpore prigušivanja struje kroz usisni ventil.Oto motor, u odnosu na dizel, kod usisavanja ima i otpore prigušivanja struje leptirom.Potpuno otvoren leptir daje najmanje otpore. (“Pun gas”, WOT).Slojevito punjenje sa recirkulacijom izduvnih gasova omogućava puni otvor leptira, i time smanjuje pumpne gubite prigušivanja na leptiru kod usisavanja.

– Za vreme izduvavanja kod velikih brzina motora klip mora da savlada dinamički pritisak (promenljiv) izduvavanja sagorelog gasa i prigušivanje struje gasa u izduvnom ventilu. U trenutku otvaranja izduvnog ventila brzina klipa je mala (klip je blizu UMT). Isticanje se odvija pod delovanjem razlike pritisaka u cilindru motora i izduvnom vodu prema okolini. Kasnije, pritisak u cilindru opada, brzina klipa raste, pa klip svojim kretanjem istiskuje izduvne gasove kroz izduvni ventil. U prvom delu gubi se pritisna energija izduvnih gasova poreklom iz toplote, u drugom i mehanički rad. (U oba slučaja gubi se i toplota-toplotna energija).

Turbokompresor smanjuje pumpne gubitke jer koristi deo kinetičke energije izduvnih gasova, koja potiče iz dovedene toplote, odnosno preostale unutrašnje energije izduvih gasova (i=u+pv, entalpija). Bez turbokompresora zaostala energija izduvnih gasova se u potpunosti gubi.

Idealan oto ciklus i dostupnost površine u pV dijagramu*

Količina goriva i vazduha u smeši

• Dizel motor uvek usisava maksimalnu količinu vazduha.– Momentom se upravlja količinom ubrizganog goriva.– Smeša je heterogena: Gorivo (čisto), smeša, vazduh (čist).

• Oto motor menja količinu usisanog vazduha razređivanjem leptirom. Samo pri punom opterećenju – potpuno otvorenom leptiru (WOT) usisava se maksimalna količina vazduha.– Momentom se upravlja količinom smeše.– Količina ubrizganog goriva zavisi od količine usisanog vazduha.

Ne može se dodati proizvoljna količina goriva, a smeša ima vrlo uske granice. Zato se količina usisanog vazduha – protok mase vazduha meri, a količina ubrizganog goriva odmerava za svaki ciklus.

– Smeša je homogena i stehiometrijska samo u idealnom slučaju.

Funkcija usisavanja vazduha je kod savremenih oto motora razdvojena od funkcije ubrizgavanja goriva u vreme uvođenja indirektnog ubrizgavanja*. Kod dizel motora ove dve funkcije su uvek bile razdvojene.

Merenje protoka mase vazduha (oto)• Direktno merenje, preko senzora sa vrelim filmom*. Otpornik u vidu tankog filma

greje se strujom. Vazduh struji preko vrelog filma i hladi otpornik. (Istovremeno, film greje vazduh čija se temperatura na kraju filma malo menja.) Temperatura filma na početku i na kraju filma zavisi od protoka vazduha: Veći protok mase vazduha više hladi vreli film i razlika u temperaturi na početku i kraju filma je veća. Kada protoka nema, oba kraja filma su na istoj temperaturi.Na osnovu razlike u temperaturi na početku i na kraju filma izračunava se protok mase vazduha. Senzor radi na diferencijalnom principu pa temperatura vazduha na ulazu u usisni vod nema uticaja na merenje, kao ni pritisak u usisnom vodu. (Veći pritisak u usisnom vodu-veći protok mase,veće hlađene vrelog filma). Meri se samo razlika u temperaturi. Povratni tok vazduha nastao usled poremećaja talasa pritiska zbog otvaranja i zatvaranja usisnog ventila utiče na razliku temperature filma, pa se uzima u obzir kod izračunavanja protoka vazduha.

• Indirektno merenje, izračunavanjem preko poznatih parametara i na osnovu jednačine stanja idealnog gasa u dve varijante:

1. Temperatura pre prigušnog leptira, pritisak pre i posle prigušnog leptira i položaj-ugao prigušnog leptira

2. Brzina motora, pritisak i temperatura u usisnom vodu iza prigušnog leptiraIndirektno merenje protoka mase vazduha ima nedostatak što je tačno samo za

stacionarno stanje, kada je pritisak u usinom vodu konstantan. Tada je ulaz mase vazduha u usisni vod i u motor isti. U nestacionarnom stanju – prelaznom periodu kod naglog dodavanja gasa i promene položaja leptira postoji neravnoteža protoka u usisnom vodu i motoru. Otvaranje leptira naglo smanjuje prigušenje ispod leptira, zbog čega se protok vazduha prvo poveća pre leptira, pa posle na usisu u cilindar. Izračunavanje protoka vazduha postaje nedovoljno tačno i mora se korigovati.

Direktno merenje protoka mase vazduha preko protokomera sa vrelim filmom je bolje, jer mereći protok na usisu (iznad leptira) meri protok vazduha i u nestacionarnom stanju, zato što se protokomer nalazi na mestu gde se najpre poveća protok mase vazduha.

Ocena dobrote procesa izmene radne materije

Dobrota izmena radne materije za veliko punjenje koje daje velike momente (bez EGR-a) ocenjuje se na osnovu tri činioca:

1. Odstranjivanja sagorelih gasova – produkti sagorevanja umanjuju punjenje jer ne dovode toplotu, a zauzimaju prostor

2. Punjenja svežom količinom radne materije – od količine radne materije zavisi količina dobijene toplote

3. Radom utrošenim na izmenu radne materije – pumpnim radom potrebnim za savladavanje otpora usisavanja i izduvavanja

rr

g

stvv

teor

p

M

M

m

m

p

Koeficijent zaostalih gasova, odnos broja molova zaostalih gasova i svežeg punjenja (ispiranje u homogenom radu)

Koeficijent punjenja, odnos mase svežeg punjenja ubačenog u radni prostor i teorijske mase za zapreminu radnog prostora

Srednji pritisak pumpnog rada u korelaciji sa radnom zapreminom daje pumpni rad Wp=pp·Vh [J].

Dvotaktni i četvorotaktni motori Poređenje

• Dvotaktni– Veći broj radnih taktova (više rada za isti broj obrtaja)– Lošija izmena radne materije uz gubitak dela svežeg punjenja (veća potrošnja

goriva)– Jednostavnija konstrukcija zbog prelivnog kanala (nema ventila, ako ima,

poboljšava se izmena radne materije, ali je konstrukcija složenija)

Primena:Vrlo mali benzinski karburatorski motori i vrlo veliki dizel sporohodi motoriOto: motocikli, gde je mala potrošnja goriva u apsolutnom iznosuDizel: brodovi, lokomotove, gde je precizno punjenje zbog male brzine motora,

nema gubitaka svežeg punjenja

• Četvorotaktni– Manji broj radnih taktova (manje rada za isti broj obrtaja)– Bolja izmena radne materije (manja potrošnja goriva i toksičnost)– Složenija konstrukcija (sistem za razvod radnog tela - ventili)

Primena:Oto i dizel: Motori “srednje” veličine (automobilski motori)

Sastav smeše goriva i vazduha (oto i dizel)Koeficijent viška vazduha

Idealno sagorevanje ima za produkte sagorevanja ugljendioksid (CO) i vodu (H2O, vodenu paru).

Motor u realnim uslovima uvek radi sa više ili manje vazduha nego što je potrebno za potpuno sagorevanje.

Za kontrolu i upravljanje sastavom smeše i time procesa sagorevanja uvodi seKoeficijent viška vazduha, [kg vazduha/kg goriva] (benzin: 14.7-14.9 kgvazd/kggor).Lambda faktor - , pokazuje odstupanja stvarne smeše u motoru od stehiometrijske. Lstv – stvarna količina vazduha (usisana u cilindar)Lsteh– teorijska količina vazduha (stehiometrijska)

= 1, “teorijska” smeša, Lstv = Lsteh, prema zakonima hemije > 1, “siromašna” smeša, Lstv > Lsteh, granica upaljenja varnicom, = 1,2 – 1,4 < 1, “bogata” smeša, Lstv < Lsteh, granica upaljenja varnicom = 0,6 – 0,8

• Siromašna smeša ima više vazduha nego što je to potrebno za potpuno sagorevanje goriva u smeši

• Bogata smeša ima manje vazduha nego što je potrebno za za potpuno sagorevanje goriva u smeši

Sastav smeše veoma utiče na proces sagorevanja i otrovnost izduvnih gasova: - lambda sonda-kiseonička sonda, meri količinu kiseonika u izduvnim gasovima*

Oto i dizel motori koriste lambda davače u zatvorenoj petlji automatskog upravljanja za korekciju sastava smeše u cilju smanjenja otrovnih komponenti u izduvnim gasovima i njihove neutralizacije.

stv

steh

L

L

Zavisnost momenta od sastava smeše oto motoraSastav smeše dizel motora

• Maksimalan moment oto motora dobija se sa bogatom smešom, a ne sa stehiometrijskom. Razlog tome je što bogata smeša najbrže sagoreva, pa je dovođenje toplote najbliže izohorskom.

• Sastav smeše dizel motora je heterogen. U nekom trenutku ubrizgavanja (pre upaljenja) u samom mlazu (“oko” kapljice) je čisto gorivo, pa je =0. U blizini zidova je čist vazduh, pa . Količina vazduha u heterogenoj smeši raste od mlaza ka zidovima cilindra.

Smeša goriva i vazduha i način paljenja smeše oto i dizel motora

• Kod dizel motora je smeša u cilindru izrazito nehomogena, a sastav smeše se dinamički menja, jer se gorivo ubrizgava tokom ekspanzije. (za p=const).

• Kod oto motora se teži homogenoj smeši u cilindru motora. Smeša se priprema u taktu usisavanja.Izuzetak je slojevito punjenje kod kog je smeša “u proseku” sa negorivim slojem izrazito nehomogena i vrlo siromašna. Ipak, u gorivom sloju se teži homogenoj smeši.

Kvalitativno (oto) i kvantitativno (dizel) punjenje* motora• Kod oto motora sastav smeše određuje se “kvalitativnim” dodavanem goriva:

Količina goriva u smeši menja se u vrlo uskim granicama, definisanim peko koeficijenta viška vazduha.Količina goriva po ciklusu zavisi od količine vazduha.Punjenje motora se određuje količinom usisanog vazduha, smanjem u odnosu na maksimalnu količinu vazduha, uz pripadajuću količinu goriva.Smanjenje punjenja se ostvaruje prigušivanjem preko leptira, čime se smanjuje gustina vazduha – vazduh se razređuje.Posledica razređivanja vazduha: Gubitak kompresije i time rada.Maksimalni momenti se dobijaju pri najvećem otvoru leptira (WOT), kada nema prigušenja.

• Kod dizel motora sastav smeše se menja “kvantitativnim” dodavanjem goriva:Količina goriva u smeši menja se u vrlo širokim granicama. Dizel motori rade sa velikim viškovima vazduha , iako se upravljaju preko koeficijenta (zbog zakona ubrizgavanja po fazama sagor.), jer se uvek usisava maksimalna količina vazduha.Količina goriva po ciklusu ne zavisi od količine vazduha.Nema gubitka kompresije.Punjenje motora se određuje promenom količine ubrizganog goriva.Maksimalni momenti se dobijaju pri najvećem punjenju gorivom.

Način punjenja oto i dizel motora posledica je razlike ciklusa po kojima rade i načina paljenja i sagorevanja smeše. Rad oto motora je znatno više zavisan od sastava smeše nego rad dizel motora s obzirom na vrlo uske granice sastava smeše (izduv).

Toplotna efikasnost ciklusa** oto motora je teorijski bolja nego dizel motora. Praktično,• Veliki viškovi vazduha dizel motora daju bolje toplotno izolovan gorivi sloj i manje

toplotne gubitke na razmeni toplote smeše sa zidovima cilindra, pa je iskorišćenje toplote bolje. (Slojevito punjenje oto motora ima za ideju toplotnu izolaciju gorivog sl.)

• Veći stepeni kompresije od oto motora daju više rada (Lenoar). Mogući su jer nema opasnosti od detonativnog sagorevanja. (Naprotiv, samozapalj. goriva je poželjno).

• Nema prigušnog leptira na usisu, pa je pumpni rad manji, nastaje samo na ventilima.

Sagorevanje u oto motoru:Formiranje i kretanje plamena

• Preskakanjem varnice formira se mala sfera plamena (jezgro plamena) oko varnice – elektroda svećice

• Sagorevanje jezgra stvara prostor – šupljinu, popunjenu toplim produktima sagorevanja, odakle se toplota prenosi na sloj smeše oko jezgra plamena, oblika sferne ljuske.

• Sferna ljuska se pali, sagoreva i prenosi toplotu na okružujući sferni sloj. Front plamena se pokreće.

• Front plamena napreduje kroz komoru – ljuska raste u prečniku i širi se ka periferiji prostora za sagorevanje sve dok ne sagori sva smeša.

Front plamena je tanka sferna ljuska u kojoj se odvijaju hemijske reakcije oksidacije goriva. Front razdvaja sagorelu od nesagorele smeše.

Iza fronta plamena temperatura je viša, time i pritisak, nego ispred fronta plamena u smeru njegovog kretanja. Gasovi iza fronta plamena komprimuju nesagorelu smešu.

Optimalno sagorevanje treba da traje kratko neposredno iza SMT – pri najmanjoj zapremini, što odgovara uslovu V=const za dovođenje toplote oto ciklusa.

Pri najmanjoj zapremini gas je najviše sabijen, pa je temperatura gasa najviša. Smeša se najlakše pali i sagorevanje je najbrže pa traje najkraće.

Uvođenje dve svećice ima za cilj da se oforme dva fronta plamena. (Napr. “Alfa Romeo twin spark”). Dva fronta plamena skraćuju vreme sagorevanja zbog kretanja sferne ljuske iz dve tačke. Skraćenje vremena sagorevanja pomera krivu sagorevanja – dovođenja toplote, bliže izohori v=const. Ciklus se približava idealnom i dobija se više površine – rada u pV dijagramu*. (Konstruktivne teškoće oko dve svećice).

Sagorevanje u oto motoru:Brzina prostiranja fronta plamena u zavisnosti od sastava smeše*

• Brzina sagorevanja smeše

je najveća u oblasti bogate smeše

= 0.9 – 1.0

• Granice upaljivosti smeše:

Gornja granica upaljivosti

= 1,2 – 1,4 (siromašna smeša)

Donja granica upaljivosti

= 0,6 – 0,8 (bogata smeša)

Izvan granica upaljivosti nije moguće upaliti smešu varnicom

Kod slojevitog punjenja koristi se posebna tehnika za paljenje vrlo siromašne smeše “prosečno”

Faze sagorevana u oto motoruI faza: Period pritajenog sagorevanjaOd preskakanja varnice između elektroda svećice do porasta pritiska iznad linije

sabijanja. (Pre SMT)Faza je vezana za stvaranje jezgra plamena, koje ima dovoljno toplote da upali ostatak smeše, a premalo toplote da pritisak poraste tako da oduzima rad u toku kompresije.

II faza: Period glavnog sagorevanjaOd porasta pritiska iznad linije sabijanja do postizanja maksimalnog pritiska u cilindru i

manjim delom pri širenju (u smislu stvarnog-realnog ciklusa, kod konačne brzine dovođenja toplote). (što više odmah posle SMT).

III faza: Period dogorevanjaSagorevaju ostaci smeše do kojih front plamena najkasnije stiže, uz zidove cilindra,

uključujući i prostor između cilindra i klipa iznad kompresionog prstena (“procep”). (Posle SMT, na liniji ekspanzije).

Smeša uz zidove se hladi od zidova, temperatura se snižava, pa se smeša teže pali i sporije sagoreva. Plamen-količina dovedene toplote se smanjuje. Posledica: Sagorevanje se premešta sa V=const na krivu širenja – ekspanziju. Kriva ciklusa u pV dijagramu se zaobljava između V=const i Q=0. (Nepoželjno jer odstupa od površine u p,V dijagramu idealnog oto ciklusa, tako što je smanjuje. To znači manje rada iz iste toplote, ali neizbežno u homogenom radu. Slojeviti rad nema izražen ovaj problem).

Indikatorski dijagram toka pritiska i faza sagorevanja u oto motoru*

Indikatorski ili indicirani dijagram je dijagram stvarne promene pritiska u cilindru motora, dobijen snimanjem pritiska u radu motora.

Indicirani pritisak pi je pritisak u cilindru motora. To je zamišljeni konstantan pritisak koji daje isti rad kao i stvaran promenljiv pritisak tokom ciklusa. Wi=piVh (pravougaonik, pi visina pravougaonika).

Efektivan pritisak je pritisak na raspolaganju posle savladavanja unutrašnjih otpora pm motora. (Na zamajcu). pe=pi-pm

Indicirani i efektivan pritisak svojom vrednošću karakterišu opterećenje (load) motora.

Efektivna snaga Pe je snaga na zamajcu (kolenastom vratilu) motora. To je snaga koja preostaje za korišćenje posle potrošnje snage za savladavanje unutrašnjih otpora u motoru.

Uticaj ugla predpaljenja na sagorevanje u oto motoru

• Rano paljenje– Daje veliki porast pritiska pre SMT zbog preranog dovođenja toplote.– Rad se troši na sabijanje povećanog pritiska pre SMT. U p,V dijagramu

površina koja predstavlja rad premešta se na kompresionu stranu, gde se rad troši, i tako smanjuje na ekspanzionoj strani, gde se rad dobija.

– Porast pritiska prilikom sagorevanja je prevelik, stvara visoke temperature sagorevanja, raste mogućnost detonativnog sagorevanja. Kod detonativnog sagorevanja rad motora je “tvrd”, snaga opada, potrošnja goriva raste, motor se mehanički i termički napreže, naročito klip motornog mehanizma.

• Kasno paljenje– Daje nedovoljan porast pritiska posle SMT zbog prekasnog dovođenja

toplote. Površina koja predstavlja rad se smanjuje sa gornje strane i pomera u desno. Produžava se glavno sagorevanje koje se sa V=const prenosi na krivu širenja. U p,V dijagramu oto ciklusa, dobija se manje rada iz iste toplote.

– Ostaje više toplote u gasu u vidu unutrašnje energije (entalpija). Temperatura gasa je viša na izduvu – više toplote se gubi sa izlaskom gasa. Snaga opada, za isti (zahtevani) moment potrošnja goriva raste.

– Nema opasnosti od detonativnog sagorevanja jer su pritisci u cilidru niži zbog sagorevanja tokom širenja pa je temperatura smeše ispod temperature samopaljenja.

Dijagram uticaja ugla predpaljenja na tok pritiska kod sagorevanja u oto motoru*

Neželjene pojave kod sagorevanja u oto motoru:Disocijacija i nekontrolisano sagorevanje

• Disocijacija je raspad stabilnih produkata potpunog sagorevanja, ugljen dioksida i vodene pare, na produkte nepotpunog sagorevanja, ugljen monoksid i vodonik. CO2+H2OCO+H2+O2 Raspad se događa na visokoj temperaturi (>2200 K) zbog koje, inače, stabilni produkti sagorevanja postaju nestabilni. Disocijacija oduzima deo toplote koja bi se iskoristila za rad i stvara otrovne sastojke u sagorelim gasovima.

• Detonativno sagorevanje je nekontrolisano eksplozivno – zapreminsko sagorevanje u ostatku smeše ispred dolazećeg fronta plamena, kad je temperatura u radnom prostoru iznad temperature samopaljenja smeše.

• Površinsko sagorevanje je nekontrolisano sagorevanje smeše upaljenjem toplotom u blizini površina koje su akumilirale toplotu usled nedovoljnog hlađenja: Svećica, klip. (“Dizelovanje”). Front plamena dobija oblik tople površine koja pali smešu bez varnice. (Talozi otežavaju hlađenje klipa i/ili svećice). Topla mesta mogu da upale smešu pre preskakanja varnice kod sabijanja (prerano paljenje) i time da izazovu detonaciju. Tako površinsko sagorevanje izaziva zapreminsko detonativno sagorevanje.

Detonativno i površinsko sagorevanje može nastati pri svakoj brzini motora. Karakterističan metalni zvuk kod detonativnog sagorevanja se čuje na manjim brojevima obrtaja, a ne čuje se na višim brojevima obrtaja, jer je buka motora tada dovoljno velika da prikriva zvuk detonacije.

Detonativno sagorevanje, nastanak i osobine(Oto motor)

Iza fronta plamena pritisak raste zbog toplote dovedene sagorevanjem. Pritisak se prenosi na prostor ispred fronta plamena, sabijajući ostatak nesagorele smeše. Delovi sabijenog ostatka smeše postižu temperaturu samopaljenja goriva i sagorevaju nekontrolisano (sve posle preskakanja varnice(!)).

Nagli porast pritiska stvara poremećajni talas koji se prenosi ka zidovima cilindra, klipa i prostora za sagorevanje u glavi motora. Sledi odbijanje por. talasa pritiska od graničnih površina i pulsiranje talasa po radnom prostoru, što stvara karakterističan metalni zvuk (“pinging noise”).Često se pogrešno smatra da ovaj zvuk dolazi od udara ventila o sedište zbog metalne boje detonativnog zvuka. Međutim, visok pritisak u cilindru, koji predstavlja preduslov za visoku temperaturu smeše, ne može se ostvariti ako je neki ventil otvoren. Kroz otvoren ventil gas bi izlazio ili u usisni ili u izduvni vod, a pritisak se snižavao, time i temperatura smeše, nasuprot uslovima detonacije.

Brzina prostiranja fronta plamena je pri normalnom sagorevanju 20 – 30 m/s.Brzina prostiranja fronta plamena pri detonativnom sagorevanju je 10 – 100

puta veća nego pri normalnom sagorevanju.Detonativno sagorevanje se odvija po celoj zapremini nesagorelog dela

smeše razvijajući se iz više centara u kojima se smeša sama pali. Plamen se zapreminski širi znatno brže nego površinski, kako se, inače, širi front plamena u obliku sferne ljuske. Brzo zapreminsko širenje plamena ima karakter detonacije.*

Nastanak detonacije i prenošenje talasa pritiska*

• Centri paljenja po celoj zapremini ostatka nesagorele smeše

• Pritisak fronta plamena na ostatak nesagorele smeše

• Visoka temperatura i pritisak u cilindru motora su preduslovi za detonativno sagorevanje. (Nastaju pri velikom opterećenju motora)

Radni uslovi motora za nastanak detonativnog sagorevanja u oto motoru i načini sprečavanja detonacija

Radni uslovi za nastanak detonativnog sagorevanja:• Opterećenje motora (load) je veliko: Veliki moment zahteva veće punjenje. Više

toplote povišava temperaturu sagorevanja. Opterećenje motora se meri efektivnim pritiskom pe ili odnosom L=pe/pemax srednjeg efektivnog pritiska i maksimalnog efektivnog pritiska koji motor može da ostvari.

• Broj obrtaja motora je najčešće mali pa ima više vremena za porast pritiska i temperature–stvaranje uslova za samopaljenje i detonaciju ostatka nesagorele smeš.

• Termičko naprezanje motora, ugrejan iznad normalne radne temperature. Početna temperatura sabijanja smeše je viša, time je i krajnja temperatura smeše viša i bliža samopaljenju. (pV^ϰ=RT).

• Slojevito punjenje je zbog male količine smeše u gorivom sloju, time i male zapremine kroz koju se prostire front plamena i veoma siromašne smeše u ostatku zapremine cilindra (neupaljiva smeša), vrlo otporno na detonativno sagorevanje.

Upravljanje paljenjem• Prerano paljenje povišava pr.i temperaturu u taktu sabijanja. To izaziva visok porast

pritiska pre SMT, u vreme kada još treba da traje pritajeno sagorevanje. Temperatura smeše raste mnogo pre SMT, sa njom i pritisak, sabijajući ostatak smeše.

Otpornost goriva na detonaciju• Nedovoljna oktanska vrednost goriva povećava sklonost ka samopaljenju (ON,

RON)Održavanje motora• Povećan stepen kompresije usled ravnanja glave motora ili tanke zaptivke glave

motora smanjuje kompresioni prostor. Raste stepen kompresije, sa njim temperature pri sabijanju i stvaraju se uslovi za detonativno sagorevanje.

Detonacija nastaje zajedničkim delovanjem faktora:Motor – način rada – gorivo – vozilo (vozač).

Uticaj detonativnog sagorevanja na motor

Indikatorski dijagram je “testerast”.Talasi pritiska se kreću od mesta detonacije ka zidovima radnog prostora, (mestu merenja), odbijaju od njih više puta, slažu (interferencija), i pulsiraju.Kod preranog ugla paljenja detonacija nastaje ranije i zahvata više nesagorele smeše, pa je jača.

Mehaničko naprezanje

Gasna sila klipa zbog naglog oslobađanja toplote dostiže veće vrednosti od onih za koje je motor projektovan, odnosno konstruisan. Gasna sila direktno prati pulsacije pritiska, pulsira i sama, delujući učestanim udarima na klip. Udari gasne sile razbijaju sloj ulja između površina u relativnom kretanju: Cilindar i klip, klip i osovinica klipa. Podmazivanje slabi, raste trenje, grejanje usled trenja, raste habanje.

Termičko naprezanje

Gasna korozija nastaje usled vrelih gasova kada detonacija traje duže tokom rada motora. Molekuli gasa se jedine sa molekulima metala (nagrizanje, naročito klipa). Klip – “kruna”, se termički napreže, metal klipa topi i klip deformiše.

Indikatorski dijagram slabe i jake detonacije oto motora

Brzina prostiranja talasa promene pritiska je mnogo veća od brzine kretanja molekula gasa i jednaka je brzina zvuka za datu sredinu.

Talasi promene pritiska se višestruko odbijaju o zidove cilindra radnog prostora, smanjuju i gube na kraju, kad se radni prostor dovoljno poveća (pada pritisak u cilindru), a energija poremećajnih talasa oslabi.

Izgled klipova oštećenih detonativnim sagorevanjem

Detonativno sagorevanje i direktno ubrizgavanje

• Ubrizgavanje goriva direktno u cilindar kod homogenog punjenja Snižava temperaturu vazduha u cilindru, jer se toplota vazduha troši na isparavanje goriva. Time se snižava temperatura smeše (ukupno).Niže početne temperature u cilindru daju niže krajnje temperature od onih kod ubrizgavanja u usisni kolektor.Indirektno ubrizgavanje: Toplota zidova usisnog kolektora predata gorivu pre ulaska u cilindar ubrzava isparavanje. Smeša se greje već pre ulaska u cilindar, više krajnje temperature sabijanja.

• Ubrizgavanje goriva direktno u cilindar kod slojevitog punjenja Samo oko elektroda svećice postoji prostorno ograničena smeša koja može da sagori. Temperatura se snižava ubrizgavanjem na kraju kompresije. Oko “oblaka” smeše u cilindru je vazduh i/ili izduvni gasovi koji ne gore. (Granica između gorivog sloja i ostatka smeše nije oštra).Količina ubrizganog goriva je mala, motor ne razvija veliki moment sa malo goriva i termički je nenapregnut. Ekstremno siromašna smeša u ostatku cilindra izvan gorivog sloja ne može se upaliti.

Motori sa direktnim ubrizgavanjem goriva u cilindar, posebno u slojevitom radu, su manje podložni detonativnom sagorevanju, nego motori sa ubrizgavanjem u usisni kolektor u blizini usisinog ventila. Zbog toga se mogu konstruisati sa većim stepenima kompresije.

Direktno ubrizgavanje ima prednost nad indirektnim ubrizgavanjem u smislu otpornosti konstrukcije motora na detonaciju.

Mere za sprečavanje detonativnog sagorevanja

• Motori koji nemaju kontrolu detonativnog sagorevanja moraju biti na dovoljnom “udaljenju” sa uglom paljenja od onog koji može da izazove detonativno sagorevanje, 5 – 8 stepeni iza SMT za glavno sagorevanje.Cena ove mere je:

– manje rada u p,V dijagramu, zbog pomeranja krive v=const na stranu širenja– nemogućnost da se izbegne detonativno sagorevanje za sve uslove rada

(Ugao paljenja je “optimizovan”).Ranije ili kasnije dolazi do detonacije. Jedina trenutna mogućnost

neupravljanog motora je oduzimanje “gasa” (vozač) u cilju smanjenja opterećenja motora. (Ev. niži stepen prenosa).

• Motori koji imaju kontrolu detonativnog sagorevanja mogu da ostvare povoljniji položaj krivih u radnom p,V dijagramu, preko manjih – najboljih uglova predpaljenja, tako da maksimalan pritisak u cilindru bude što bliže po prolasku klipa kroz SMT.Kod detonativnog sagorevanja, vraća se paljenje na kasnije (ECU) za cilindar u kom je nastala detonacija*. Po prestanku detonacija, vraća se paljenje postepeno ka nominalnim vrednostima. Svaki cilindar može imati senzor za detonaciju, ali se i sa jednim davačem-senzorom može pratiti proces sagorevanja po pojedinim cilindrima tokom radnog takta.Upravljanje paljenjem se može ostvariti i za motore sa indirektnim ubrizgavanjem (u usisni vod pre usisnog ventila) i za motore sa direktnim ubrizgavanjem.

• Uz senzor detonacije** (knock) može postojati i senzor za otklanjanje pogrešnog tumačenja detonacije, usled neravnina na putu. (U šasiji).

Prednosti kontrolisanja detonativnog sagorevanja

Ugao paljenja kontroliše se i menja – upravlja u toku rada motora (ECU).• Poboljšanje termodinamičkog stepena korisnosti motora

Vreme paljenja se podešava tako da se dobije najviše rada u p,V dijagramu. Položaj krivih ciklusa vezano za dovođenje toplote u procesu sagorevanja i vršni pritisak u taktu širenja, je bolji. (Nema bezbednosnih granica 5 – 8 stepeni za izbegavanje detonacije, koje nužno položaj krivih u p,V dijagramu pomeraju na stranu širenja, tako da se dobije manje rada.)

• Omogućavanje rada motora sa većim stepenima sabijanja zbog tačnije određenog trenutka paljenja bez detonacije. Dobijanje više rada po ciklusu zbog povećanja stepena kompresije (konstruktivno).Dobijanje većeg momenta.

• Manja osetljivost motora na promenu otpornosti goriva prema detonativnom sagorevanju – kvalitet goriva u eksploataciji.

Manje snažne detonacije sa kraćim trajanjem ne oštećuju motor koji se konstruiše sa trajnom dinamičkom čvrstoćom takvom da ih može podneti. Sa druge strane, temperature kod detonativnog sagorevanja su dovoljno visoke da razlažu taloge od ulja i goriva na površinama prostora sagorevanja, (klip, glava) koji se, onda, izbacuju kroz izduvni sistem napolje iz motora.Odstranjivanje taloga umanjuje mogućnost od površinskog nekontrolisanog sagorevanja jer talozi stvaraju topla mesta.

Ubrizgavanje goriva i sagorevanje u dizel motoru

Ubrizgavanje goriva, paljenje smeše i sagorevanje

• Gorivo se ubrizgava direktno u cilindar• Smeša je heterogena: Od =0, čisto gorivo u mlazu, do = izvan

mlaza• Punjenje cilindra smešom se ostvaruje samo količinom goriva

(vazduh se ne razređuje kao kod oto motora)• Količina vazduha ograničava maksimalnu količinu goriva, time

moment i snagu. Previše goriva stvara crni dim u izduvu, koji nastaje usled nedostatka kiseonika za sagorevanje. (Providnost-opaque)

• Upaljenje smeše je pod dejstvom toplote iz vazduha, sabijenom na visoki pritisak. Temperatura vazduha u cilindru je iznad temperature paljenja smeše.

Temperatura na kraju takta kompresije je t = 700-900°C.Pritisak (kompresija):P = 30-55 bar za atmosferske dizel motorep = 80-110 bar za nadpunjene dizel motore.

Ubrizgavanje goriva, paljenje smeše i sagorevanje

Pritisak u cilindru naglo raste za vreme paljenja i potom sagorevanja (druga faza), usled dovedene toplote, pa dizel motor ima karakterističan “tvrd” rad.Veličina porasta pritiska se kontroliše predubrizgavanjem, a time tvrd rad i ekonomičnost motora.

Sile koje naprežu motor ograničavaju stepen kompresije na =16-18 preko čvrstoće, jer sa njom raste masa konstrukcije. (Gasna sila, inercijalne sile i momenti).

Pritisak ubrizgavanja goriva se kreće od 200-2200 bar u toku rada motora. Visoki pritisci omogućavaju veliku kinetičku energiju ubrizgavanog mlaza i mali prečnik kapljica goriva, time dobro formiranje smeše. Sa brzinom kapljica raste trenje o vazduh i poboljšava se isparavanje, a smanjenje veličine kapljica (“atomizacija”) znači povećanje površine isparavanja*. Brizgaljke imaju više otvora za mlaz goriva.

Potreba za vrtloženjem vazduha u cilindru za homogenizaciju smeše se umanjuje sa porastom pritiska ubrizgavanja (novi motori imaju sve veće pritiske ubrizgavanja), što omogućava jednostavniju konstrukciju usisnog voda i prostora za sagorevanje. Istovremeno, domet (penetracija) kapljica je manji zbog njihove manje mase**, pa je moguće ostvariti ubrizgavanje i kod motora sa manjim zapreminama bez kontakta kapljica sa zidovima prostora za sagorevanje. Otvori brizgaljke imaju različita usmerenja ka prostoru za sagorevanje, da bi homogenizacija smeše bila što bolja.

Indikatorski dijagram za konvencionalne sisteme ubrizgavanja

• Zaostajanje ubrizgavanja (injection lag):Vreme koje protekne od početka isporuke goriva pod visokim pritiskom kroz vodove do početka ubrizgavanja goriva. Talas (poremećajni) porasta pritiska putuje kroz dizel gorivo brzinom od oko 1500 m/s (brzina zvuka u datoj sredini). Vodovi visokog pritiska treba da budu što kraći, a njihov materijal što krući, kako bi se maksimalno smanjilo zaostajanje ubrizgavanja.

• Zaostajanje paljenja (ignition lag):Vreme koje protekne od početka ubrizgavanja do početka sagorevanja. Za to vreme gorivo isparava i meša se sa vazduhom. Isparavanje je karakteristika goriva i ne zavisi od brzine motora. Zato se sa povećanjem brzine motora pomera ubrizgavanje na ranije-povećava predubrizgavanje.(Analogno oto motoru).

Na zaostajanje paljenja tokom ubrizgavanja utiču:– Upaljivost goriva (cetanski broj)– Temperatura vazduha (u cilindru)– Stepen kompresije (konstrukcija)– Način ubrizgavanja (oblik krive)

Indikatorski dijagram za konvencionalne sisteme ubrizgavanja

Maksimalan i minimalan broj obrtaja motora

Dizel motor uvek ima dovoljno vazduha, pa moment zavisi od količine ubrizganog goriva.

Maksimalan broj obrtaja motora se ograničava. Ako je spoljno opterećenje manje od razvijene snage motora, broj obrtaja raste. Zbog velikih stepena sabijanja elementi motora su masivni i zato imaju znatne inercijalne sile. Ne sme se dopustiti da broj obrtaja dostigne vrednost pri kojoj će se motor “razleteti” usled inercijalnih sila (self-destruction).

Minimalan broj obrtaja motora se reguliše.Rad na praznom hodu.

Regulisanje maksimalne i minimalne brzine motora je dvostepena regulacija.

(Trostepena, ili sverežimska regulacija se primenjuje za dizel motore koji pokreću radne mašine. Trostepenom regulacijom se stabilizuje još i rad motora na zadatom režimu, na broju obtaja između minimalnog i maksimalnog).

Okretanje motora većom brzinom u odnosu na punjenje (overrun) Pri vožnji na nizbrdicama i kočenju motorom preko transmisije motor se okreće

spoljnom silom-momentom. Tada se ne dodaje gorivo. Važi i za oto motore.

M – postupak ubrizgavanjaU ranim fazama direktnog ubrizgavanja razvijen je M – postupak*.Dok su se drugi konstruktori naprezali da izbegnu kontakt mlaza goriva sa

zidom, Meurer je uradio upravo suprotno: Ubrizgavao je gorivo na zid prostora za sagorevanje, tačnije udubljenje u klipu. (Jedan otvor mlaza brizgaljke).

Na taj način gorivo je isparavalo sporije, koristeći i toplotu klipa za isparavanje (pored toplote vazduha).Isparavanje tečne faze goriva sa klipa je usporilo proces sagorevanja i produžilo ga i tako snizilo nagli porast pritiska, koji kod direktnog ubrizgavanja proizvodi tvrd rad motora. Istovremeno, isparavajući, gorivo je hladilo klip i bitno smanjivalo termičko naprezanje klipa.Zbog smanjenih skokova pritiska rad motora je bio vrlo mek, a zbog dobre homogenosti smeše (“slojevito isparavanje”) dobijen je i vrlo miran rad.

Nedostatak: Oduzimanje toplote iz cilindra za isparavanje goriva kroz zid klipa i njeno odbacivanje kroz sistem za hlađenje. Ova odbačena toplota bi drukčije učestvovala u mehaničkom radu.

Zbog odvođenja toplote za isparavanje goriva toplotna efikasnost motora je smanjena i time povećana potrošnja goriva, odnosno smanjena ekonomičnost motora. Motori sa M-postupkom su postepeno izašli iz eksploatacije i danas ih više nema.

Proces sagorevanja, buka, ekonomičnost

Proces sagorevanja u dizel motoru veoma zavisi od pripreme smeše.Pored performansi, potrošnje goriva i sastava izduvnih gasova, za razliku od

oto motora, priprema smeše utiče i na bučnost motora.Buka nije problem sama za sebe: Nastaje usled naglih porasta pritisaka i

svedoči o dinamičkom opterećenju motora.Delovi motora moraju biti dimenzionisani tako da mogu podneti opterećenja od visokih pritisaka i od naglih promena pritiska (II faza sagorevanja).

Emisija štetnih izduvnih gasova i intenzitet buke umanjuju se• Konstrukcijom motora

Usisni vodovi i prostor za sagorevanje• Načinom ubrizgavanja goriva

Kriva ubrizgavanja određuje početak, kraj i broj događaja promene pritiska, kao pritisak ubrizgavanja (ordinata) prema uglu kolenastog vratila (apscisa).

Savremeni dizel motori rade sa visokim pritiscima ubrizgavanja, pojedinačno podešenim za svaki cilindar. Razlike u punjenju u dopuštenim granicama, daju isti moment po svakom cilindru, odnosno ravnomeran moment motora. Upravljani su preko EDC (Electronic Diesel Control).

Zajednička magistrala

• Stvaranje i održavanje pritiska ubrizgavanja i snabdevanje gorivom pod visokim pritiskom se funkcionalno razdvaja od sinhronizacije sa okretanjem kolenastog vratila zajedničkom magistralom (common rail)*, koncepcijom sa akumulatorom za gorivo pod pritiskom.

Koncepcija zajedničke magistrale omogućava:• Slobodno oblikovanje krive ubrizgavanja

Razdvajanje ubrizgavanja od ostvarivanja pritiska ubrizgavanja• Snabdevanje količinom goriva prema zahtevu motora

Pritisak ubrizgavanja je promenljiv prema načinu rada motora. Maksimalan pritisak i protok goriva se ostvaruje samo pri punoj snazi motora (programska mapa). Manje utrošene snage za snabdevanje gorivom povećava ekonomičnost motora.

Savremeni oto motori takođe koriste princip zajedničke magistrale za ubrizgavanje benzina direktno u cilindar motora.

Sistem snabdevanja gorivom preko zajedničke magistrale*

• Hidraulična pomoć kod ostvarivanja sile za podizanje igle brizgaljke rezultuje povratnim vodom za gorivo iz brizgaljke ka rezervoaru

• Hlađenje goriva po povratku iz zajedničke magistrale i brizgaljke u rezervoar, zbog očuvanja gustine goriva, kao parametra za odmeravanje količine ubrizganog goriva.

• PVP se kontinualno okreće, ali se samo deo goriva šalje u zajedničku magistralu. Ostatak se na niskom pritisku vraća u rezervoar

Crvena boja-visok pritisak, ružičasta boja-pritisak posle prigušivanja, žuta boja-nizak pritisak

Pritisak ubrizgavanja kod konvencionalnih uređaja – zavisan od brzine motora i

zajedničke magistrale – nezavisan od brzine motora

Izgled mlaza kod ubrizgavanja

Levo, prva slika: Predubrizgavanje (pilot ubr.), debljina mlaza je minimalna, kao i dužina ubrizgavanja, odnosno količina ubrizganog goriva. Zahvaćeni ugao kolenastog vratila pri ubrizgavanju takođe varira, prema načinu rada i termičkom stanju motora (hladan, u zagrevanju, pothlađen, u radu i malo opterećen.)

Desno, ostale slike: Glavno ubrizgavanje, prema porastu zahtevane snage raste i količina ubrizganog goriva, brizgaljka je duže otvorena, pa punoća mlaza raste.

Proces sagorevanja: Smeša i paljenjeDizel motori rade sa heterogenom smešom koja se sama pali toplotom iz

sabijenog vazduha. Temperatura vazduha je iznad temperature paljenja goriva.

Potpuno homogenu smešu nije moguće postići u dizel motoru ni pre ni u toku sagorevanja.Upaljenje bez stranog izvora energije nalaže trenutak početka ubrizgavanja na takt sabijanja, onda kad postoji dovoljno visoka temperatura za samopaljenje, minus zaostajanje ubrizgavanja i zaostajanje paljenja, prema početku sagorevanja. Svedeno samo na kompresiju vreme za homogenizaciju smeše je kratko. Zaostajanje ubrizgavanja i zaostajanje paljenja otežava procenu trenutka za početak ubrizgavanj. Zbog smanjenja buke i tvrdog rada, gorivo se dodaje i u toku sagorevanja, kada u klasičnom smislu nema smeše, jer postoje vrtlozi plamena po prostoru za sagorevanje.

Oko kapljice goriva uvek postoji• Zona isparavanja (bliže kapljici)• Zona sagorevanja (dalje od kapljice)U samoj kapljici nema vazduha =0, a udaljavajući se od kapljice raste i na

čistom vazduhu dostiže =.Upaljiva smeša je oko zone isparavanja kada koeficijent viška vazduha

dostigne vrednost =0,3-1,5.Zahtev: Što sitnije kapljice, što bolja homogenizacija smeše i tačan višak

vazduha – siromašna smeša. Time se smanjuje količina čestica (particule), dobijaju izduvni gasovi koji ne sadrže crni dim (providnost pri punom opterećenju) i bez dima su pogodni za recirkulaciju. Recirkulacijom izduvnih gasova* se smanjuje emisija azotnih oksida.

Proces sagorevanja idimenzije motora

Dimenzije motora i iskorišćenje vazduha

Pri punom opterećenju motor treba da iskoristi sav vazduh u cilindru za sagorevanje. (“Air utilization”, =1). Teorijski pri punom opterećenju ne treba da postoji višak vazduha. Ako to nije slučaj, cilindar, drugim rečima motor, je prevelik za datu snagu.

Sa druge strane,Pri punom opterećenju ne sme da nedostaje vazduha. Ako se to dogodi,

motor je premali za datu snagu. Tada raste emisija čestica, koja je inače, slaba tačka dizel motora.

Stvarni viškovi vazduha dizel motoraSmeša sa =1 i dovoljno vazduha za minimiziranje pojave čestica su oprečni

zahtevi. Dizel motor ne može da radi sa stehiometrijskim odnosom goriva i vazduha jer ne može da ostvari homogenu smešu. Posledica je pojava čestica. Za minimiziranje čestica u izduvu uvek je potreban višak vazduha.

Pri punom opterećenju turbopunjeni motori imaju (1.15-2), a neopterećeni na minimalnom broju obrtaja >10.

Proces sagorevanja: FazeProces sagorevanja kod dizel motora sastoji se iz tri faze:

1. Zaostajanje paljenja (ignition lag)Plamen slabog intenziteta, sagorevanje počinje, ali se uglavnom greje smeša, uz neznatan porast pritiska na strani kompresije – pre SMT.(slično jezgru plamena kod oto motora, ali ima više jezgara zbog samopaljenja smeše, dok je kod oto samo jedno jezgro)

2. Sagorevanje pripremljene smeše (premixed flame)Plamen jakog intenziteta, pomešan sa delovima neupaljene smeše, na koje se širi velikom brzinom. Značajan porast pritiska je neposredno iza SMT. Maksimalan pritisak sledi iza toga, blisko SMT.

3. Sagorevanje upravljanjem smešom (diffusion flame)Plamen koji se širi u svim pravcima. Istovremeno se formira i sagoreva smeša (odatle naziv difuzioni plamen). Po prestanku ubrizgavanja sledi dogorevanje ostatka smeše.

(Detaljnije na sledećem slajdu).

Proces sagorevanja: FazePrva faza (ignition lag), obuhvata vreme od početka ubrizgavanja do početnog paljenja

sa dovedenom količinom toplote dovoljnom da stvori značajan porast pritiska iznad linije sabijanja bez sagorevanja. Paljenje zaostaje u vremenu za ubrizgavanjem.Od trenutka ubrizgavanja do trenutka paljenja protiče vreme za isparavanje goriva i formiranje upaljive smeše mešanjem isparenog goriva sa vazduhom.

Druga faza (premixed flame), obuhvata sagorevanje smeše pripremljene u prvoj fazi. Porast pritiska i temperature je najveći. Sagorevanje je intenzivno i nekontrolisano.Porast pritiska stvara mehanička naprezanja motora – buku i tvrd rad.Porast temperature stvara azotne okside.Produženje prve faze (po uglu) daje više vremena za homogenizaciju, a smanjenje količine ubrizganog goriva na početku druge faze smanjuje nagli porast pritiska i buku.Količina azotnih oksida se smanjuje snižavanjem temperature sagorevanja putem recirkulacije izduvnih gasova. (EGR nije za puno opterećenje jer smanjuje količinu usisanog vazduha i time kiseonika za sagorevanje).Dobra homogenizacija smeše sprečava stvaranje čestica u trećoj fazi. Čestice nastaju u lokalnim zonama bogate smeše, gde oko goriva nema dovoljno kiseonika za sagorevanje, usled nedovoljne homogenizacije smeše u drugoj fazi sagorevanja. Homogenizacija nikad nije dovoljna u meri da nema čestica.

Treća faza (diffusion flame), obuhvata ubrizgavanje goriva u vreme kada smeša već gori. Uslovi upaljenja su dobri i gorivo se odmah pali i vrlo brzo sagoreva. Brzo paljenje omogućava kontrolu i upravljanje sagorevanjem preko upravljanja količinom goriva koje se ubrizgava, odnosno upravljanjem smešom.Uslovi sagorevanja se pogršavaju. Količina kiseonika u vazduhu je opala, naraslo je učešće inertnih gasova.Nastanak čestica: Ugljovodonično gorivo se cepa (cracking) usled visoke temper. i nastaje crni dim. Pri kraju ubrizgavanja dostiže se maksimalna temperatura, posle čega sledi dogorevanje (5-10% goriva). U dogorevanju ekspanzija raste, temperatura opada, vazduh je potrošen, izduvnih gasova ima mnogo.

Udarno sagorevanje i bukaU drugoj fazi sagorevanja posle početnog upaljenja smeše oslobađa se toplota.

Oslobođena toplota greje smešu i ubrzava isparavanje i paljenje goriva. Po celoj zapremini prostora za sagorevanje stvaraju se centri upaljenja. Gorivo ubrizgano u prvoj fazi i deo goriva ubrizganog u drugoj fazi, zapreminski* sagorevaju.

Zapreminskim sagorevanjem toplota se naglo oslobađa. Rezultat je isto tako nagli porast pritiska u cilindru motora: p/=(4-8) bar/°kv.

Nagli porast pritiska mehanički napreže motorni mehanizam. Rad motora je “tvrd” i praćen bukom (clatter). Sagorevanje je udarno.

Predubrizgavanje (pilot) male količine goriva kontrolisano podiže pritisak i temperaturu i stvara uslove za lakše i brže paljenje smeše. U drugoj fazi se smanjuje zaostajanje upaljenja (ignition lag). Time se produžava sagorevanje u drugoj fazi i tako smanjuje nagomilavanje goriva pri ubrizgavanju. Manje nagomilavanje goriva umanjuje nagli porast pritiska, zato što se oslobađa manje toplote po uglu k.v. Smanjuje se naprezanje, buka i tvrd rad motora.Klasični sistemi (UPS, UIS) mogu imati krivu pritiska glavnog ubrizgavanja sa dvostepenom (boot shaped) promenom (event) pritiska. Sistemi sa zajedničkom magistralom (common rail) imaju potpunu kontrolu ubrizgavanja, jer je ubrizgavanje razdvojeno od stvaranja pritiska za ubrizgavanje. Mogu oblikovati krivu ubrizgavanja, pa mogu primeniti i trapezasti oblik kod glavnog ubrizgavanja, a da ipak ne dodaju veću količinu goriva od potrebne.

Pomeranje intervala trajanja druge faze unapred i smanjenje ubrizgane količine goriva u drugoj fazi ostavlja više vremena za treću fazu sagorevanja, u kojoj je kontrola sagorevanja dobra.

Čestice u izduvu (crni dim)U trećoj fazi sagorevanja je najviša temperatura u cilindru (pri kraju ubrizgavanja).

Smeša je nehomogena, (lokalni centri bogate smeše) nedostaje vazduha (vazduh već potrošen za sagorevanje) ili je vazduh nedostupan zbog sagorelih gasova oko goriva. Sagorevanje izostaje, a pod uticajem visoke temperature dolazi do cepanja goriva (cracking) na sastavne elemente: Ugljenik i vodonik.

Molekuli vodonika (gas) su pokretni, pronalaze put do kiseonika, lako se pale i sagorevaju.

Molekuli ugljenika (čvrsto stanje), teže su pokretni, teško se pale čak i kada dođu u dodir sa kiseonikom. Međusobno se spajaju – kristalizuju i formiraju čađ.

Čađ odlazi u izduni sistem i stvara crni dim.

Čestice čađi su otrovne i kancerogene. Nepodesne su za recirkulaciju izduvnih gasova jer se talože na EGR ventilu i stvaraju otpore njegovom kretanju-radu.

Uklanjanje čestica• Ranim sekundarnim ubrizgavanjem: Čestice se mogu sagoreti (umanjiti količina

čestica u izduvu do 70%), ako ima dovoljno (viška) vazduha prema opterećenju motora. Gorivo se ubrizgava dok treća faze sagorevanja još traje i tako pali.

• Kasnim sekundarnim ubrizgavanjem: Čestice koje nisu sagorele (puno opterećenje motora bez viška vazduha za rano sekundarno ubrizgavanje/sagorevanje, ili zaostale posle ranog sek.ubr.) se odvode u filter za čestice i tamo povremeno sagorevaju. Gorivo za sagorevanje se ubrizgava na kraju takta ekspanzije, po prestanku sagorevanja. Ubrizgano gorivo se ne pali (nema uslova), već koristi toplotu izduvnih gasova za isparavanje i odlazi u izduvni sistem, odakle dospeva u filter za čestice i tu sagoreva, sagorevajući čestice. Sagorevanjem se filter za čestice “regeneriše”. (Ugljovodonici HC se takođe koriste za redukciju azotnih oksida u katalitičkom konvertoru).

Čestice (soot) su slaba tačka dizel motora.

Kriva ubrizgavanja i intervala sagorevanja za razne sisteme ubrizgavanja i načine rada motora prema gradnji pritiska i

uglu kolenastog vratila

Krive pritiska ubrizgavanjaJedinični sistemi ubrizgavnja (UIS, UPS) omogućavaju predubrizgavanje i dvostepeni

porast pritisaka kod glavnog ubrizgavanja.Zajednička magistrala (“Common Rail”), piezo*-električne brizgaljke i visoki pritisci

omogućavaju do 5** ubrizgavanja oko i u toku radnog takta.Oblik krive pritiska ubrizgavanja je teorijski paravougaonik, a praktično trapez, jer su

brzine otvaranja i zatvaranja brizgaljke konačne. Aktivacija brizgaljki je električna, a brzinu kretanja igle brizg. pomaže hidraulika, koristeći pritisak goriva u brizgaljki.

Otvaranje i zatvaranje brizgaljki je kritično, jer porast i pad pritiska u otvoru brizgaljke nije trenutan. Manji početni i krajnji pritisci ubrizgavanja daju krupnije kapljice i pogoršavaju raspršivanje. Prednost ima piezo-kristal sa više puta bržim odzivom od solenoida.

Preko računara moguće je upravljati svakim cilindrom motora pojedinačno – nezavisno od drugih cilindara. Sloboda oblikovanja krive pritiska CR+EDC je velika.

Delovi krive:• Predubrizgavanje (kombinovani ciklus)• Jednostepeni porast pritiska, ili• Dvostepeni porast pritiska ubrizgavanja (two events)• Konstantno visok pritisak ubrizgavanja (dobro raspršivanje)• Ranije sekundarno ubrizgavanje (sagorevanje čestica u cilindru motora)• Kasnije sekundarno ubrizgavanje (sagorevanje čest. u katalizatoru-filteru za čestice)

Kombinovani ciklus*

Ciljne funkcije delova krive pritiska ubrizgavanja:Predubrizgavanje

Predubrizgavanje male količine goriva pre glavnog ubrizgavanja (1mg, ili nekoliko mg), koja se pali već za vreme kompresije, podiže pritisak i time temperaturu vazduha. Poboljšavaju se uslovi za paljenje smeše kod glavnog ubrizgavanja u drugoj fazi. Posebno je važan za DI motore.Viša temperatura, ostvarena predubrizgavanjem, skraćuje zaostajanje paljenja (ignition lag) kod glavnog ubrizgavanja.

Skraćenje vremena zaostajanja paljenja Količina nagomilanog goriva tokom ubrizgavanja u drugoj fazi sagorevanja smanjuje se: Zbog povećanja kompresije/temperature tokom predubrizgavanja smeša se lakše pali.Sa manjom količinom nagomilanog goriva bolja je homogenizacija(bolji odnos goriva i vazduha), pa raste ekonomičnost motora, a umanjuje se količina čestica. Postiže se bolje vođenje druge faze sagorevanja (premixed flame). Premešta se deo glavnog ubrizgavanja sa većom količinom dodatog goriva iza SMT, na stranu ekspanzije.Smanjuje se buka i emisija azotnih oksida.

Produženo vreme za treću fazu sagorevanjaManje goriva u drugoj fazi – više goriva u trećoj fazi, čije je sagorevanje upravljano.

Primena:Ostvarenje kombinovanog ciklusa – više površine – rada u p,V dijagramu.Podizanje kompresije kod hladnog startaPodizanje kompresije kod rada sa ohlađenim motorom.Napomena: Temperatura u cilindru tokom ciklusa može biti snižena iako motor ima radnu

temperaturu, ako je izvesno vreme radio sa malim opterećenjem.

Ciljne funkcije delova krive pritiska ubrizgavanja:Promene pritiska

Jednostepeni porast pritiska posle predubrizgavanja smanjem količine goriva i pomera ubrizgavanje iza SMT kod glavnog sagorevanja redukuje azotne okside kod motora bez recirkulacije izduvnih gasova (EGR).

Dvostepeni porast pritiska tokom ubrizgavanja (dva dogadjaja) redukuje azotne okside i čestice kod motora bez recirkulacije izduvnih gasova (EGR). Tokom prvog – nižeg stepena porasta pritiska ubrizga se manja količina goriva u drugom veća, čime se dovede manje toplote i izbegava visoka vršna temperatura sagorevanja. Ubrizgavanje se ne menja promenom pritiska, već se koriste brizgaljke sa dvostepenim otvaranjem (dve opruge ili obaranje pritiska prigušivanjem preko solenoidnog ventila (CCRS*). Veća sloboda količina/ugao od jednostepenog porasta pritiska ubrizgavanja, gde je samo ugao na raspolaganju posle predubrizgavanja.

Konstantan visok pritisak dobro raspršuje gorivo. Motori sa recirkulacijom izduvnih gasova imaju sniženu vršnu temperaturu sagorevanja, a male kapljice se lakše pale. Kritično je otvaranje i zatvaranje brizgaljki, kad pritisak pada. Konvencionalni sistemi ubrizgavanja tada prave krupnije kapljice, pa raste emisija čestica.

Ranije sekundarno ubrizgavanje smanjuje emisiju čestica koje sagorevaju uz pomoć male količine goriva na kraju procesa sagorevanja dok još traje. Ranijim sekundarnim ubrizgavanjem se dodaje gorivo za sagorevanje čestica već u cilindru motora.

Kasnije sekundarno ubrizgavanje ne daje gorivo koje sagoreva u cilindru, nego gorivo koje isparava usled toplote izduvnih gasova i odlazi u izduvni sistem. Gorivo se ubrizgava pri kraju ekspanzije i/ili pri izduvavanju, kada su temperature u cilindru niske za samopaljenje. Smeša odlazi u katalitički konvertor.U konvertoru se ugljovodonici koriste za redukciju azotnih oksida, ili kao gorivo sagorevaju u filterima za izdvajanje i akumulaciju čestica. Čestice sagorevaju i filter se oslobađa od čestica (regeneracija). Nedostatak: Kasnije ubrizgano gorivo može “produvavanjem” pored klipnih prstenova u cilindru dospeti u kućište motora i razrediti ulje.

Ciljne funkcije delova krive pritiska ubrizgavanja:Optimizacija buke i tvrdog rada motora i sadržaja izduvnih gasova

Optimizacija između

smanjenja buke i tvrdog rada motorakada je rad ekonomičan, jer sagorevanje nije razvučeno (potreban porast

temperature usled predubrizgavanja)iKoličine azotnih oksida i čestica u izduvnim gasovimakoje prate nagle poraste pritiska (prevelik porast temperature usled

predubrizgavanja)

određuje se programskim upravljanjem (EDC)prema trenutnom načinu rada i termičkom stanju motoraprema opterećenju, brzini i temperaturi motora

Optimizacija se ostvarujeintervalom vremena/ugla između predubrizgavanja i glavnog ubrizgavanja

i količinom predubrizganog goriva i goriva ubrizganog u drugoj fazi sagorevanjaodnosno oblikom kombinovnog ciklusa (sabatje)

Parametri ubrizgavanjaPojedinačno ubrizgavanje goriva na delu krive ubrizgavanja određuje se

sledećim parametrima:

Vreme-ugao ubrizgavanja• Početak ubrizgavanja [°kkv]

– Modeliranje pritiska i temperature sagorevanja: Buka i tvrd rad motora– Kontrola sastava izduvnih gasova: Azotni oksidi i čestice, takođe ugljovodonici

• Trajanje ubrizgavanja [°kkv]Praćenje dizel ciklusa (p=const) i/ili kombinovanog ciklusa (v=const, p=const, Sabatjeov ciklus)

Isporuka goriva• Količina ubrizganog goriva [mm3]

Dovedena količina toplote za mehanički rad• Pritisak ubrizgavanja [bar]

Prodor mlaza i veličina kapljica – raspršivaje goriva za formiranje smeše

Dizel motori

Oblici prostora za sagorevanje

Dizel motori, prostori za sagorevanjeProstor za sagorevanje sa klipom (oblik) koji se kreće određuje kvalitet

sagorevanja i time utiče na performanse motora i emisiju izduvnih gasova.

Postoje dve vrste prostora za sagorevanje dizel motora:• Nepodeljen – sa direktnim ubrizgavanjem, (DI motori)• Podeljen – sa indirektnim ubrizgavanjem, (IDI motori)

Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanje su osmišljeni sa idejom da se umanji buka i naprezanje motora koji su posledica “tvrdog” rada u drugoj fazi sagorevanja. Buka je najizraženija kod ubrzavanja vozila.

Zahvaljujući savremenoj tehnologiji, koja omogućava rad sa visokim pritiscima ubrizgavanja i tačnu kontrolu predubrizgavanja, buka (tvrd rad i opterećenje delova motora) kod motora sa direktnim ubrizgavanjem je smanjena do nivoa motora sa indirektnim ubrizgavanjem.

Dizel motori sa direktnim ubruzgavanjem imaju do 20% manju potrošnju goriva od motora sa indirektnim ubruzgavanjem. Manja ekonomičnost i komplikovanija konstrukcija IDI dizel motora su razlog što su ih potisli DI motori.

Dizel motori sa nepodeljenim prostorom za sagorevanje

Gorivo se ubrizgava direktno u cilindar motora, odnosno prostor za sagorevanje.Smeša se pravi vihornim kretanjem vazduha kroz vod i usisni otvor (posebno oblikovan u

tu svrhu), kretanjem klipa u cilindru i mlazom ubrizgavanja.Sa sve većim pritiscima ubrizgavanja vihorenje gubi na značaju.

Najčešći oblik klipa je oblik, čiji naziv potiče od oblika udubljenja u glavi klipa (popr.pr.) koje podseća na grčko slovo omega. Udubljenje u klipu definiše oblik prostora za sagorevanje (klip u SMT). Brizganje je upravno na toroidno (kružno) kretanje vazduha u omega udubljenju klipa.

• Obrazovanje smeše mlazom (novije)U odsustvu vihora brizgaljka ima 8-9 otvora koji usmeravaju svoje mlazeve goriva prema zidovima udubljenja u klipu. Na taj način mlazevi pokrivaju veliki prostor, pa je potreba za vrtloženjem mala. Usisni vod, oslobođen zadatka da stvara vihor, postaje jednostavniji po obliku, a istovremeno se poboljšava izmena radnog tela. Težište za formiranje smeše se prebacuje na brizgaljke i pritisak ubrizgavanja – raspršivanje.

• Obrazovanje smeše uz pomoć vihora (starije)Kod brzohodih dizel motora male radne zapremine energija mlaza može biti nedovoljna za formiranje smeše, jer je ograničena prodorom mlaza. Zbog malih prečnika cilindra mlaz penetrira – dohvata zid, pa je dodatno potrebno vihorenje, a udubljenje u klipu je veće. Vihorenje treba da bude dovoljno da spreči kontakt mlaza sa zidom i ravnomerno rasporedi smešu po celom prostoru za sagorevanje. (Brzohodi motori sa malim prečnicima cilindra pripadaju putničkim vozilima i malim transportnim vozilima).

Kod turbo motora vazduh u cilindru je gušći, pa je trenje kapljica o vazduh veće, ali je isparavanje malo teže zbog višeg pritiska u nadpunjenom cilindru.

Dizel motor sa nepodeljenim prostorom za sagorevanje (DI)

Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanjePrincip rada se sastoji u tome da se u manju komoru ubrizgava gorivo, priprema smeša i

pali. Zatim se smeša odvodi iz manje komore u veću – glavnu komoru, u kojoj se nastavlja i završava sagorevanje.Strujanje iz manje u veću komoru nastaje pod uticajem razlike u pritiscima između dve komore, do koje dolazi usled početka sagorevanja u manjoj komori. Pritisak u manjoj komori dovođenjem toplote raste, u odnosu na veću komoru, gde sagorevanja još nema.Strujanje gasa iz jedne komore u drugu pod uticajem razlike u pritiscima pravi intenzivno mešanje goriva i vazduha u glavnoj komori.

Manja komora je smeštena u glavi cilindara, a veća je klasičan prostor za sagorevanje – glava, cilindarski zidovi i klip sa klipnim prstenovima. Komore su međusobno spojene tunelom.

Nedostaci:Gubici toplote nastaju usled produženog vremena sagorevanja, veće površine prostora

za sagorevanje, prigušivanja gasa i povećanih otpora strujanja:Prenošenje plamena iz jednog prostora u drugi produžava vreme sagorevanja u odnosu na direktno i ima više vremena za razmenu toplote sa zidovima.Površina deljenog prostora je veća pa i razmena toplote – gubici toplote kroz nju (zidovi), veća.Gubici usled prigušivanja gasa nastaju po ulasku iz cilindra u manju komoru gde klip upumpava vazduh kroz tunel, i po izlasku iz tunela između dve komore, kad se gas širi, jer je pod pritiskom usled dovođenja toplote sagorevanjem.Nema dovoljno vremena da se izjednači pritisak gasa u pretkomori sa pritiskom gasa u glavnoj komori.Otpori strujanja nastaju pri prolasku radnog tela kroz tunel u oba smera strujanja, i pri kompresiji (kada se ulaže rad) i pri ekspanziji.

Potrošnja IDI goriva je veća do 20% u odnosu na DI motore. (IDI motori se ne grade više.)

Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanje• Dizel motor sa predkomorom (Pre-chamber)

Predkomora je centralno postavljena u glavi motora tako da je tunel, koji je spaja sa glavnom komorom, usmeren ka centru glavne komore.Veličina pretkomore je 35-40% od (glavne) kompresione zapremene.Može biti više od jednog tunela koji spaja dve komore za povećanje ukupnog porečnog preseka – smanjenje otpora strujanja i poboljšanje homogenizacije smeše.

Oblik pretkomore je sferičan, a komora postavljena tako da stvara vrtloženje vazduha. U predkomoru su smeštene brizgaljka i grejač za gerajanje vazduha pri hladnom startu.

Postoje rešenja sa malim sferičnim telima (baffle) ispod otvora brizgaljke u pretkomori. Mlaz goriva iz brizgaljke usmerava se na sferično telo, o koje se razbija. Istovremeno, oblik tela je takav da poboljšava vrtloženje. Efekat je poboljšanje homogenizacije smeše.Grejač za vazduh je stavljen na mesto gde najmanje ometa prostiranje plamena sagorevanja (“zavetrina”, mlaz se ne brizga na grejač).

U taktu kompresije vazduh se iz radnog prostora utiskuje u pretkomoru i usmerava prema zidu predkomore, odakle se kreće prema brizgaljki. Brizgaljka gradi mali ugao (~5°) prema zidu pretkomore, ciljajući mlaz asimetrično prema sfernom telu. Mlaz se razbija i odbija od tela prema jednoj strani pretkomore.

U taktu ekspanzije sagorevanje se prenosi u glavnu komoru pod pritiskom sagorevanja.

Rad motora je mek i bez buke, što znači bez mehaničkog napezanja.Emisija toksičnih komponenti izduvnih gasova je vrlo niska, kao i emisija čestica.Brzo zagrevanje motora kod hladnog starta potrebno je da se što pre postigne

sagorevanje dizel motora bez nesagorelih ugljovodonika koje karakteriše plavi ili beli dim* u izduvnim gasovima.

Dizel motor sa predkomorom

Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanje

• Dizel motor sa vrtložnom komorom (Swirl chamber)

Predkomora je postavljena u glavi ivično u odnosu na cilindar, tako da je tunel koji povezuje vrtložnu komoru sa glavnom komorom postavljen tangentno.Veličina pretkomore je oko 60% od kompresione zapremene.

Oblik pretkomore je diskosno - sferičan.U predkomoru su smeštene brizgaljka i grejač za grejanje vazduha pri hladnom startu.U taktu kompresije utiskuje se vazduh u pretkomoru, gde se zbog smera tunela i

položaja pretkomore stvara intenzivan vrtlog. Brizganje goriva je upravno na osu vrtloga (princip) kroz koji mlaz prodire i prolazi do vrele suprotne strane pretkomore o čiji zid udaraju kapljice.

Tunel koji spaja vihornu komoru sa glavnom komorom većeg je poprečnog preseka nego tunel kod rešenja sa predkomorom. Prigušenje vazduha je tako manje iz komore prema vihornoj komori, kao i otpori strujanja. Isto važi i za protok upaljene smeše iz pretkomore u komoru. Pumpni rad je manji, sagorevanje manje razvučeno. Međutim, rad motora je tvrđi, a buka veća u poređenju sa dizel motorima sa pretkomorom. Veći protočni preseci tunela omogućavaju brže prenošenje smeše u glavnu komoru, zbog čega ubrizgavanje goriva mora biti srazmerno brže, nagomilavanje goriva raste i proces sagorevanja se više približava drugoj fazi sagorevanja kao kod DI motora.

Zbog bržeg sagorevanja mogu se dobiti vrlo velike brzine motora, veće od 5000 o/min. Visok broj obrtaja vodi ka dizel motorima velikih specifičnih snaga.

Dizel motor sa vrtložnom (whirl) komorom

Direktno Ubrizgavanje Benzina

(Unutrašnje formiranje smeše)

Direktno ubrizgavanje benzina*

Funkcionalna šema direktnog ubrizgavanja benzina*

Homogeno i slojevito punjenje kod direktnog ubrizgavanja

• Homogeno punjenje (homogeneous charge)

Puni se ceo cilindar ubrizgavanjem goriva u cilindar tokom usisavanja.

Za veće momente i snage (brojeve obrtaja).

= 1: Redukcija emisije, bez azotnih oksida

• Slojevito punjenje (stratified charge)

Puni se deo cilindara ubrizgavanjem goriva u cilindar tokom sabijanja.

Za manje momente i snage (brojeve obrtaja).

> 1: Ekonomičnost potrošnje goriva

U zavisnosti od uslova rada – zahteva za obrtnim momentom i brojem obrtaja (snagom),..., motor vozila prelazi sa jednog načina punjenja na drugi.

Homogeno i slojevito punjenje

Usisavanje, 1

Sabijanje, >1

Homogeno punjenje (princip)

Gorivo se ubrizgava u cilindar za vreme usisavanja

• Sastav smeše je stehiometrijski, =1, ili blago bogat, <1• Vreme za homogenizaciju smeše i ravnomeran raspored smeše po cilundru je

dovoljno• Niska toksičnost sagorevanja

Bez viška kiseonika ne stvaraju se azotni oksidi.Dovoljan je trostepeni katalitički konvertor. Nije potreban dodatni konvertor za redukciju azotnih oksida.

• Primena za srednja i velika opterećenja i snage (brzine motora)

Homogen rad kod direktnog ubrizgavanja benzina je vrlo sličan načinu rada kod indirektnog ubrizgavanja – ubrizgavanja u usisini vod.

Razlika:

Kod diretnog ubrizgavanja koristi se kinetička energija mlaza za raspršivanje goriva u cilindru. Mešanje goriva, isparavanje i homogenizacija odvija se samo u cilindru.

Kod indirektnog ubrizgavanja raspršivanje goriva odvija se u usisnim vodovima. Mešanje goriva i isparavanje počinje u usisnom vodu, a nastavlja se u cilindru uz homogenizaciju. Koristi se toplota zidova usisa za isparavanje goriva.

Slojevito punjenje (princip)• Vazduh (sa recirkulisanim izduvnim gasovima) ulazi kroz usisni ventil za vreme takta

usisavanja u cilindar • Gorivo se ubrizgava direktno u cilindar neposredno pre upaljenja (kraj sabijanja)

• Smeša se formira samo sa delom vazduha u radnom prostoru cilindra. Oko smeše je čist vazduh ili vazduh i izduvni gasovi (EGR).Gorivi sloj se nalazi u definisanoj oblasti u prostoru, oko svećice, zbog paljenja. Izolacioni sloj oko gorivog sloja zajedno čine vazduh i izduvni gasovi. Izol. sloj fizički odvaja gorivi sloj od zidova prostora za sagorevanje i gubitaka toplote kroz zidove – toplotna izolacija. Time se potrošnja goriva smanjuje – ekonomičnost raste.

• Višak kiseonika i visoka temperatura sagorevanja stvaraju azotne okside.Na granici gorivog sloja i okružujućeg vazduha smeša je vrlo siromašna, pa raste količina azotnih oksida. Za smanjenje količine NOx u izduvnim gasovima koristi se intenzivna recirkulacija izduvnih gasova. U cilindar ulaze zajedno vazduh i izduvni gasovi, koji su inertni i snižavaju temperaturu sagorevanja. (Više toplote za grejanje inertne smeše snižava vršnu temperaturu – menja se cv smeše).

• Leptir je potpuno otvoren (WOT) jer se ne usisava smeša, koja bi povećavala punjenje (DI), nego samo vazduh (+EGR). Otvoren leptir daje minimalno prigušenje i time smanjuje pumpne gubitke. Kompresija odgovara konstruktivnom stepenu kompresije, jer nema razređivanja vazduha.

• Prekid rada motora sa slojevitim punjenjemKod povećanja opterećenja zahteva se više toplote. Dodaje se više goriva pa smeša u gorivom sloju postaje bogatija. Raste temperatura sagorevanja, a gorivom sloju nedostaje kiseonik. Gorivo se cepa i počinje stvaranje čestica ugljenika. Sledi prelazak na rad sa homogenom smešom. (Punjenje celog cilindra smešom).

Motori sa direktnim ubrizgavanjem benzina smatraju se hibridnim zbog ubrizgavanja u radni prostor (kao dizel motori), i paljenja smeše stranim izvorom energije (kao oto motori).

Slojevito punjenje (postupak)Gorivo se ubrizgava za vreme sabijanja

• Gorivo se ubrizgava pod visokim pritiskom (150-200* bar) – mlazom vrlo sitnih kapljica velike brzine.

• Vazduh u cilindru je topao jer je sabijen (takt kompresije).• Smeša gorivog sloja

Trenje kapljica o zagrejan i gust vazduh (sabijen) pri kretanju mlaza razvija toplotu i izaziva isparavanje goriva.

• Gorivi sloj je lokalan oblak isparenog goriva u delu radnog prostora oko svećice. Oblak je okružen čistim vazduhom. (+EGR).Samo sloj sa smešom – gorivi sloj, može da sagori. U prostoru izvan gorivog sloja nema smeše/goriva. (Granična površina između dva sloja nije potpuno “oštra”)

• Smeša cilindra je vrlo siromašna, posmatrajući gorivi i izolacioni sloj – oba sloja “prosečno” u cilindru. (>1, do 10)

• Prenošenje gorivog sloja ka svećici i paljenjePrenošenje i držanje vrši se usmerenim kretanjem vazduha (+EGR) i pali varnicom.U neposrednoj blizini elektroda svećice može se upaliti i vrlo siromašna smeša, sa čak 1.7

• Leptir je otvoren (unthrottled, WOT).• Izduvni gasovi se intenzivno recirkulišu (EGR )

Potreban je dodatni konvertor za redukciju azotnih oksida koji nastaju na granici između gorivog i negorivog sloja, gde je smeša siromašna zbog viška vazduha.

Način stvaranja i dovođenja sloja sa smešom u blizinu svećice:Zidom/Vazduhom

Gornja površina klipa – zida prostora za sagorevanje, je oblikovana tako da kretanjem vazduha čuva sloj sa smešom od širenja po okolnom prostoru

• Vođenje gorivog sloja zidomUdubljenje u klipu oblikovano je kao usmerivač goriva – deflektor mlaza goriva.Mlaz goriva se ubrizgava ka deflektoru, od kog se odbija i usmerava prema svećici.Osa vrtloga vazduha je paralelna sa osom cilindra (swirl). Usmerivanje usisisnim vodom tako da vazduh struji oko zidova cilindra. Kretanje klipa ka SMT daje dodatnu energiju mlazu goriva.Klip hladi gorivo i može da se stvara film* goriva što je nepovoljno za sagorevanje.

• Vođenje gorivog sloja vazduhomUdubljenje u klipu oblikovano je za stvaranje vrtloženja vazduha, usmerenog prema svećici.Osa vrtloga je paralelna sa gornjom površinom klipa (tumble). Mlaz goriva se ubrizgava ka vrtlogu, vrtlog podiže gorivo svojim kretanjem prema svećici. Vrtlog vazduha čini vazdušni “jastuk” koji sprečava kontakt smeše i klipa.Kretanje klipa ka SMT podiže vrtlog i daje dodatnu energiju vrtlogu za podizanje mlaza goriva prema svećici.

Vođenje sloja zidom i vazduhom nema oštrih granica. Uvek je prisutno vođenje i zidom i vazduhom. Zavisno od ugla brizgaljki i količine ubrizganog goriva:

Na malim brojevima obrtaja uglavnom se gorivi sloj (oblak) nalazi iznad klipa.Na većim brojevima obrtaja gorivi sloj dohvata klip, i kad je proces zasnovan na vođenju

vazduhom (inercija sloja). Kontakt goriva i klipa (zid prostora za sagorevanje) je nepoželjan zbog stvaranja filma i gubitak toplote kroz klip na isparavanje goriva.

Položaj brizgaljki i svećica: Brizgaljke su smeštene između usisinih ventila, a svećice centralno na komori za

sagorevanje.

Način stvaranja i dovođenja sloja sa smešom u blizinu svećice:Mlazom

Gornja površina klipa – zida prostora za sagorevanje je oblikovana tako da kretanjem vazduha čuva sloj sa smešom od širenja po okolnom prostoru

• Vođenje gorivog sloja mlazomGorivi sloj se stvara ubrizgavanjem u neposrednoj blizini svećice.Mlaz goriva ima oblik konusa ili omotača (šupljeg konusa) i ubrizgava se ciljajući omotačem konusa elektrode svećice.Prednost u odnosu na vođenje zidom/vazduhom: Direktnim vođenjem goriva ka svećici (bez pomoći vazduha) izbegava se kontakt gorivog sloja sa klipom.

Uslovi za formiranje sloja:Vreme je skraćeno u odnosu na vođenje zidom i vazduhom jer klip mora prići bliže svećici (SMT) da se gorivi sloj ne bi raširio po celom prostoru za sagorevanje. Za skraćeno vreme ubrizg. potrebni su veći pritisci nego kod vođenja zidom i vazduhom.

Veći pritisci daju mlaz koji ima veću kinetičku energiju, pa su kapljice sposobne da dublje prodiru kroz vazduh (penetriraju) pre nego što ispare. Povećava se mogućnost da kapljice dohvate klip. To je nepoželjno zbog stvaranja filma goriva na klipu.Zahtev za povećanjem brzine kapljica je oprečan sa smanjenjem prodornosti mlaza. Stoga je potrebno smanjiti prečnik kapljica da bi se smanjila inercija kapljica (kinetička energija) i vreme potrebno za isparavanje trenjem o vazduh pri kretanju.Smanjenje kapljica i povećanje njihove brzine nalaže manje otvore na brizgaljki i veće pritiske ubrizgavanja u odnosu na vođenje zidom/vazduhom.

Položaj brizgaljki i svećica:Brizgaljke su smeštene na vrhu komore za sagorevanje, svećica sa strane, na

pravcu mlaza goriva.

Slojevito ubrizgavanje:Formiranje i vođenje gorivog sloja

sa vođenjem zidom, vazduhom i mlazom

Karakteristike:• Oblik prostora za sagorevanje – gornje površine klipa• Pravac i ugao ubrizgavanja (pun mlaz)• Položaj brizgaljki i svećica međusobno u prostoru za sagorevanje

(Klip je na putu ka SMT, prostor za sgorevanje još nije formiran).

Slojevito ubrizgavanje benzina:Formiranje i paljenje gorivog sloja

vođenim zidom i mlazom

• Kod vođenja gorivog sloja zidom koristi se vihorenje vazduha.Brizgaljka je sa strane, a svećica centralno u cilindru

• Kod vođenja gorivog sloja mlazom i ravne gornje površine klipa mlaz je oblika šupljeg konusa.Brizgaljka je centralno postavljena, svećica sa strane u cilindru

Od oblika prostora za sagorevanje zavisi i oblik mlaza.

Levo: UbrizgavanjeDesno: Sagorevanje

Direktno ubrizgavanje benzina*vođenje mlazom, otvoren presek

• Centralna brizgaljka, svećica sa strane

• Gornja površina klipa– na levoj strani udubljenja za

ventile u fazi preklapanja– na desnoj strani deflektori za

prevrtanje vazduha, (motor ne radi samo sa slojevitim punjenjem)

– u sredini centralno udubljenje za formiranje oblika prostora za sagorevanje koje sprečava širenje gorivog sloja pri radu sa slojevitim punjenjem.

Direktno ubrizgavanje benzina*vođenje mlazom, otvoren presek

• Štapičasta bobina• Svećica sa tri elektrode prema

masi• Brizgaljka za gorivo centralna,

pod malim uglom u odnosu na osu cilindra, usmerena tako da omotač konusa gorivog sloja ravnomerno popuni prostor za sagorevanje, kad aje klip u SMT.(Može se proceniti ugao kunusa ubrizgavanja goriva s obzirom da omotač konusa treba da dohvati elektrode svećice).

Uporedne osobine sistema direktnog ubrizgavanja benzina sa vođenjem zidom/vazduhom i mlazom

• Putanja ubrizgavanja– Kod vođenja mlazom kraća i direktna prema svećici, bez kruženja kao kod

vođenja klipom/vazduhom.• Vreme za pripremu smeše i pritisak za ubrizgavanje

– Kod vođenja mlazom kraće, nego kod vođenja klipom/vazduhom.Kod vođenja mlazom potreban je veći pritisak, oko 200 bar, u odnosu na 150 bar kod vođenja klipom/vazduhom*. (Ipak, oko 10 puta manji pritisci u odnosu na dizel CR).

• Toplotno naprezanje svećice– Kod vođenja mlazom promene temperature svećice su veće, jer se hladno gorivo

brizga direktno u pravcu vruće svećice i hladi je. Kontakt goriva i svećice je neposredniji nego kod vođenja zidom/vazduhom.

• Tačnost u konstrukciji i izradi– Kod vođenja mlazom svećica i brizgaljka zahtevaju veću tačnost po

međusobnom položaju i orijentaciji nego kod vođenja vazduhom. Potrebno je i tačnije održavanje pritiska u akumulatoru goriva. Od pritiska zavisi dolazak mlaza samo do svećice uz punjenje prostora za sagorevanje, ne i do klipa.

• Potrošnja goriva– Kod vođenja mlazom potrošnja goriva je manja. Isparavanje goriva je efikasnije

zbog veće brzine mlaza i kasnijeg ubrizgavanja, kada je temperatura vazduha u prostoru za sagorevanje viša. Ubrizgano gorivo nema kontakt sa klipom, pa se ne stvara film, koji je osnovni razlog za lošije sagorevanje kod vođenja zidom/vazduhom. Kada plamen dođe do filma goriva na klipu, toplota plamena odlazi na isparavanje goriva (disipacija toplote) pa se plamen smanjuje i gasi.

Trajanje i pritisci ubrizgavanja benzina, poređenje direktnog sa indirektnim ubrizgavanjem

• Ugao direktnog ubrizgavanja u cilindar moguć je u samo dva takta, tokom usisavanja i sabijanja, što čini 2 x 90 = 180 stepeni ugla okretanja kolenastog vratila.

• Ugao indirektnog ubrizgavanja u usisini vod ima na raspolaganju sva četiri takta, 720 stepeni. (4x više po uglu).

• Vreme za formiranje smeše kod direktnog ubrizgavanja u cilindar pri slojevitom punjenju je bitno manje u odnosu na vreme kod ubrizgavanja u usisini vod, oko 1/5. Na praznom hodu je manje do 0.5ms.

• Brzina mlaza direktnog ubrizgavanja mora biti velika, jer se isparavanje vrši (i) trenjem kapljica goriva iz mlaza o vazduh tokom ubrizgavanja, a raspoloživo vreme je kratko.

• Veličina kapljica direktnog ubrizgavanja mora biti manja u odnosu na ubrizgavanje u usisini vod, oko 1/5 (površina isparavanja). Kapljice su prosečne veličine 20m.

Velika brzina mlaza i mala veličina kapljica zahtevaju velike pritiske ubrizgavanja, jer manji otvori na brizgaljkama daju veće otpore protoku goriva kroz otvor brizgaljke.

Kod slojevitog ubrizgavanja na zid/vazduh pritisci ubrizgavanja za dobro formiranje smeše u raspoloživom vremenu iznose oko 150 bar.

Kod slojevitog ubrizgavanja mlazom raspoloživo vreme za pravaljenje smeše je još kraće. Pritisci ubrizgavanja mlazom su veći i iznose 200 bar.

Pritisak kod direktnog ubrizgavanja varira u zavisnosti od načina rada motora 50-150 bar. (Štednja energije utrošene na stvaranje samo potrebnog i protoka u pumpi visokog pritiska isporukom goriva prema zahtevu – načinu rada motora.)

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Način rada motora zavisi od opterećenja i uslova rada, a određuje ga računar (EM*).

• Motor zagrejan na radnu temperaturu Takt ubrizgav.

– Homogen (konvenc.) =1 ili <1 : Usisavanje

– Slojevit (gor.sloj+izol.sloj) =1 + vazduh+EGR : Sabijanje– Homogen siromašan >1 : Usisavanje– Homogen slojevit (dva ubrizgav.) >2 (siromašan) : Usisavanje

<1 (bogat) : Sabijanje– Homogen sa zaštitom od detonacije (sa dva ubrizg.)

• Motor hladan i u zagrevanju Takt ubrizgavanja– Hladan Start

• Slojevit Sabijanje– Zagrevanje

• Homogen deljen Usisavanje + Sabijanje• Slojevit (dva ubrizgavanja) Sabijanje + Širenje• Homogen (konvencionalan) Usisavanje

Ubrizgavanje goriva i trenutak (ugao) paljenja smeše za razne načine rada motora*

Zagrejan motor• Homogen• Slojevit• Homogen siromašan• Homogen slojevit• Homogen sa zaštitom od

detonacije

Hladan start• Slojevit

Hladan start i zagrevanje motora i katalizatora

• Homogen deljen• Slojevit• Homogen konvencionalan

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Motor zagrejan na radnu temperaturu, način rada:

• Homogen

Smeša je stehiometrijska, ili blago bogata =1, <1 (>0.9)

Ubrizgavanje goriva je u ceo radni prostor za vreme usisavanja.Ima dovoljno vremena za homogenizaciju smeše i raspored smeše po celom radnom prostoru.

Primena za velika i najveća opterećenja motora po momentu.

Rad sa stehiometrijskom smešom na srednjim opterećenjima ili blago bogatom <1 smešom na jakim opterećenjima daje malo toksičnih sastojaka u izduvu i omogućava konverziju samo sa trostepenim katalitičkim konvertorom. Nije potreban dodatni konvertor za azotne okside.

Najveća potrošnja goriva, jer su i zahtevi za momentom/snagom* najveći, time i punjenje motora.

Rad sa homogenom smešom kod direktnog ubrizgavanja je u najvećoj meri sličan radu sa ubrizgavanjem u usisni vod (indirektno ubrizgavanje).

(Oblast A).

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Motor zagrejan na radnu temperaturu, način rada:• Slojevit

Smeša je stehiometrijska u gorivom sloju, =1.Gorivo se meša samo sa delom vazduha u jednom sloju koji čini “oblak”, okružen ostatkom čistog vazduha. Ukupna smeša je “prosečno” vrlo siromašna.Početak ubrizgavanja mora biti podešen tako da se smeša u gorivom sloju (oblaku) homogenizuje, a sloj dovede u blizinu svećice u trenutku paljenja varnicom.Opterećenja (moment) su u granicama, određenim emisijom izduvnih gasova (čestice) sa gornje strane i radnom temperaturom katalizatora sa donje strane (pothlađivanje katalizatora), na sledeći način:Veća opterećenja daju višu temperaturu i više azotih oksida. Pojavljuju se i nesagorele čestice goriva, pa opada ekonomičnost.Azotni oksidi nastaju u graničnom sloju oblaka prema vazduhu, jer prelaz od sloja smeše ka čistom vazduhu ide postupno preko sve siromašnije smeše (ne može biti nagli prelaz). Potreban je dodatni katalitički konvertor za neutralizaciju azotnih oksida. Manja opterećenja daju nedovoljno toplote u izduvnim gasovima (entalpija, I = U + pV) do mere da se katalitički konvertori hlade ispod radne temperature.Brzina motora je ograničena na najviše 3000 obrtaja u minutu, jer sa većim brzinama nema dovoljno vremena da se homogenizuje smeša u gorivom sloju.

Recirkulacija izduvnih gasova snižava temperaturu sagorevanja, pa je pogodna za primenu kod slojevitog punjenja: Povećava oblast na brzinskom dijagramu momenta – po momentu (ordinata), odnosono opterećenju motora. (Oblast C)

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Motor zagrejan na radnu temperaturu, način rada:

• Homogen siromašan

Smeša je siromašna, >1, ili = 1 uz recirkulaciju izduvnih gasova (EGR)

Gorivo se ubrizgava u toku usisavanja.

Primena za prelazni režim rada motora i srednja opterećenja. (Punjenje sa siromašnom smešom daje potpunije sagorevanje, ali znači manje dovođenja toplote).

Kada opterećenje motora poraste pri radu sa slojevitim punjenjem prelazi se na homogeno siromašno punjenje. (Više goriva u odnosu na slojevito punjenje). Prigušenje na leptiru je manje kod siromašne smeše, jer je veći otvor leptira, nego kod homogenog rada sa stehiometrijskom ili bogatom smešom (1), pa su manji pumpni gubici.

Rad sa siromašnom smešom povećava sadržaj azotnih oksida, pa je potreban dodatni konvertor za neutralizaciju. Neophodne faze pražnjenja (dodatnog) konvertora od azotnih oksida znače povremene prelaske na rad sa bogatom smešom (<1), što umanjuje ekonomičnost potrošnje goriva.

(Oblast B).

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Motor zagrejan na radnu temperaturu, način rada:

• Homogen slojevit

Gorivo se ubrizgava dva puta:1. Tokom usisavanja: Stvara se homogena i vrlo siromašna smeša u celom radnom prostoru >2. (Neupaljivo vrnicom). Količina ubrizganog goriva 75% od ukupne količine goriva.2. Tokom sabijanja: Stvara se bogatija smešu u okolini svećice. Količina ubrizganog goriva 25% od ukupne količine goriva.Varnica ne može neposredno da upali siromašan sloj.Bogati sloj oko svećice pali varnica, a siromašni sloj u ostatku prostora za sagorevanje pali plamen bogatog sloja.Upaljenje ostatka vrlo siromašne smeše posredstvom plamena bogatog sloja kao izvora toplote je lakše nego upaljenje stehiometrijske smeše. Prostiranje fronta plamena kroz vrlo siromašnu smešu se time ubrzava. (Manji otklon u p,V dijagramu).Primena: Prelazni režim od rada sa slojevitim punjenjem sa recirkulacijom izduvnih gasova na homogen siromašan rad (i dalje homogen rad). Zahvata oblast sa homogenim siromašnim načinom rada.

Razlika u odnosu na način rada sa slojevitim punjenjem: Način razvoja plamena pri dvostrukom ubrizgavanju omogućava motoru stabilniji rad i veće obrtne momente na vrlo niskim brojevima obrtaja. Manja je emisija nesagorelih čestica i azotnih oksida.Veća potrošnja goriva.Razlika u odnosu na način rada sa homogenom smešom:Manja potrošnja goriva. (Oblast D)

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Motor zagrejan na radnu temperaturu, način rada:

• Homogen sa zaštitom od detonacije

Broj obrtaja je mali, a opterećenje veliko (najosetljivija oblast na detonaciju).

Ubrizgavanje se deli na dva dela, sa idejom: Homogeno punjenje na punom opterećenju i malom broju obrtaja prouzrokuje detonativno sagorevanje.Slojevito punjenje je otporno na detonaciju: Ne sabija se smeša, nego vazduh (+EGR). Umesto da se greje smeša tokom sabijanja i približava uslovima detonativnog sagorevanja, ubrizgavanje goriva na kraju sabijanja hladi vazduh, uzimanjem toplote za isparavanje goriva. Prostorno, gorivi sloj je mali i front plamena brzo stiže na njegovu granicu. Ostatak smeše ispred fronta plamena ima gde da se širi pred pritiskom sagorele smeše iza fronta plamena. Količina ubrziganog goriva je mala.Dobitak je u tome što otklanjanjem detonacije načinom slojevitog punjenja se ne vraća paljenje na kasnije (klasično sredstvo protiv detonacije), nego pada u dobro vreme, pa je dobijeni rad u pV dijagramu bolji.Detonacija nastaje u ostatku smeše, posle upaljenja varnicom, kada front plamena već prođe deo homogene smeše. Smanjenjem ostatka smeše deljenjem, umanjuje se i količina goriva koja je izložena uslovima samopaljenja i time umanjuje raspoloživa energija za detonaciju, ako do nje dođe.

Mogućnosti za ovo su u praksi vrlo ograničene.(Oblast E)

Hladan startPokretanje hladnog motoraTrajanje: Od trenutka starta elektropokretača do trenutka ostvarenja prvog

ciklusa sagorevanja. Energija za pokretanje uzima se iz baterije, motor ne razvija sopstvenu snagu.

• Elektropokretač pokreće motor(ME sistem je inicijalizovan preko kontakt ključa ili na drugi način, napr. GO/STOP dugme)

• Brzina motora se meri davačem broja obrtaja, koji je ujedno i davač položaja kolenastog vratila. Utvrđuje se faza razvoda bregastog vratila preko davača položaja kolenastog i bregastog vratila*. Na osnovu podataka o položaju (uglu vratila) određuje se cilindar čiji je klip u najpovoljnijem položaju za davanje rada (paljenje). Motor mora startovati i bez signala za fazu bregastog vratila, (bilo da ga ima, a u otkazu je, ili da ga uopšte i nema konstruktivno) ali će za to morati da napravi više okretaja pomoću elektropokretača.

• Ubrizgava se gorivo u cilindar prema mapi goriva i načinu punjenja motora.• Pali se gorivo varnicom i motor povećava brzinu posle prvog uspešnog

radnog takta

Faze hladnog startaMotor• Start

Trajanje: Od prvog sagorevanja do dostizanja ubrzanog zagrevanja katalizatoraKoličina ubrizganog goriva je nekoliko puta veća (3-4) od količine goriva na punom opterećenju zagrejanog motora pri temperaturi okoline od 20°C. Isparavaju samo najlakše frakcije goriva. Motor ne može pokrenuti vozilo uspešno, razvijeni moment je nedovoljan. (Vozilo stoji).

• Post – startTrajanje: Do trenutka kad se motor može opteretiti u dovoljnoj meri za početak kretanja vozila, iako radna temperatura još nije dostignuta.Temperatura motora raste, pa isparavaju i teže frakcije goriva, zbog čega se količina ubrizganog goriva postepeno smanjuje. Motor razvija dovoljno snage samo da savlada sopstvene otpore i pokreće agregate. (Vozilo stoji). Do faze zagrevanja motora (početak vožnje, a radna temperatura još nije dostignuta) stiže se za 15-20 sekundi.

• ZagrevanjeTrajanje: Do potpunog zagrevanja motora na radnu temperaturu. Motor ima dovoljno snage da pokrene vozilo. Grejanje bez opterećenja motora (“u mestu”) nema daljeg smisla – neekonomično je. Motor treba opteretiti – pokrenuti vozilo. Pokretanje vozila zahteva momente - opterećenje koji će brže dovesti motor na radnu temperaturu. Ciklusi su pod opterećenjm produženi, time razmena toplote sa zidom prostora za sagorevanje traje duže. Motor se može opteretiti i potpuno, sva toplota koja se ne utroši na mehanički rad i ne ode u izduvni sistem, greje motor. Ipak, opterećenje treba da raste postepeno sa grejanjem motora, do granice reagovanja na promenu ubrzanja vozila. Nezagrejan motor ne razvija punu snagu, ima lošu emisiju i veće produvavanje pored klipnih prstenova. Nekoliko minuta do dostizanja radne temper.

Zagrevanje katalitičkog konvertoraPrimenjuju se posebne mere da bi se konvertor što pre doveo na svoju radnu temperaturu. (Najmanje 300 stepeni). Tokom zagrevanja motora emisija štetnih gasova je najveća. Katalitički konvertori se zato grade tako da pre dostižu radnu temperaturu nego motor.

Teškoće hladnog starta• Gorivo na hladnim zidovima cilindra ne isparava, ne sagoreva i biva

izbačeno u izduvni sistem u taktu izduvavanja. Moment motora je time veoma smanjen. Da bi dovoljno goriva isparilo i sagorelo, naročito u startnoj fazi, potrebno je nekoliko puta uvećati količinu ubrizganog goriva, čime se povećava količina lakih frakcija u sadržaju goriva.

• Emisija nesagorelih ugljovodonika (HC) i ugljenmonoksida (CO) je velika.

• Katalitički konvertor što pre treba dovesti u funkciju dostizanjem minimalne radne temperature (300 stepeni C). To se ostvaruje:– Kasnim paljenjem velike dodatne mase smeše i– Dodatnim uređajima za grejanje konvertora

• Bogatoj smeši (<1) se u konvertoru dodaje kiseonik* i pali visokom temperaturom

• Siromašna smeša (>1) koristi višak kiseonika iz same smeše za sagorevanje u konvertoru.

U obe varijante sagorevanje u konvertoru greje konvertor i povišava mu temperaturu.

– Postavljanjem konvertora što bliže motoru (konstruktivna mera)Kraća dužina cevi izduvnog kolektora prema katalizatoru ima manju površinu za odavanje toplote, pa više toplote od izduvnih gasova stiže u konvertor.

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzinaMotor hladan i u zagrevanjuHladan Start, način rada:• Slojevit

Hladan start sa sabijanjem: Gorivo se ubrizgava u toku sabijanja.Pri sabijanju vazduhu raste temperatura. Iako je motor hladan, isparavanje goriva je brže nego kod konvencionalnog hladnog starta sa usisavanjem. (Kod usisavanja vazduhu opada temperatura). Gorivi oblačni sloj je udaljen od hladnih zidova – termički izolovan, pa se ne gubi toplota. Uslovi su povoljniji, start je olakšan.Emisija nesagorelih ugljovodonika (HC) se bitno smanjuje, jer je manja količina goriva za hladan start i nema filma goriva na zidovima prostora za sagorevanje. Značajno, jer kod hladnog starta katalitički konvertor nije na radnoj temperaturi i ne može vršiti funkciju oksidacije ugljovodonika koji u konvertor dospevaju nesagoreli.Vreme za pripremu smeše je kratko, ali je pri hladnom startu i brzina motora mala. Motor se okreće elektropokretačem oko 300 obrtaja u sekundi.

(Poređenje, hladan start sa usisavanjem: Malo goriva isparava, samo najlakše frakcije. Neispareno gorivo stvara film na hladnim zidovima prostora za sagorevanje. Film se ne može upaliti. Kada plamen dođe do filma, toplota odlazi – rasipa se na zagrevanje i naknadno isparavanje goriva iz filma, a ne na paljenje smeše – disipacija toplote. Plamen se gasi. Uslovi lošiji, start teži.)

Pumpa visokog pritiska zbog sporog okretanja kolenastog vratila ne može da dostigne nominalan pritisak od 150 – 200 bar, već samo, 30 – 40 bar. Ostvareni pritisak PVP je ipak dovoljan za postizanje takve brzine mlaza da gorivo ispari, jer se ubrizgava mala količina goriva, potrebna samo da proradi motor, ne i da se pokreće vozilo.

(Oblast C).

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Motor hladan i u zagrevanju

Zagrevanje, način rada:

• Homogen deljen

Homogena smeša sa dvodelnim ubrizgavanjem (ceo radni prostor):1. Tokom usisavanja2. Tokom sabijanja

Primena za brzo zagrevanje katalitičkog konvertora.

Paljenje se pomera na mnogo kasnije, 15 – 30 stepeni posle SMT.Toplota i temperatura izduvnih gasova veoma raste jer se zbog kasnog paljenja manje toplote odvodi kroz mehanički rad. Umesto toga, toplota izduvnih gasova zagreva konvertor. (Entalpija, I = U + pV, gde je U unutrašnja energija izduvnih gasova, a pritisak p smanjen – manja gasna sila i kraći hod klipa na kom se odvodi rad usled ekspandirane zapremine V.)

Toplota dovedena konvertoru za grejanje ovim načinom rada motora umanjuje snagu motora (čak oko 20 kW).

Vreme zagrevanja konvertora na temperaturu koja ga dovodi u funkciju je svega nekoliko sekundi.

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina

Motor hladan i u zagrevanjuStart i zagrevanje, način rada:

• Slojevit, dvodelni (deo radnog prostoa)Slojevita smeša sa dva ubrizgavanja:1. Tokom sabijanja (kao kod slojevitog punjenja zagrejanog motora) 2. Tokom širenja (vrlo kasno)Primena:Za veoma brzo zagrevanje trostepenog katalitičkog konvertora hladnog motora.Za zagrevanje dodatnog katalitičkog konvertora iznad radne temperature od 650 stepeni celzijusa kod zagrejanog motora.

Trostepeni konvertor:Kod slojevitog punjenja pri hladnom startu temperatura izduvnih gasova je niska zbog velikog viška vazduha i male količine ubrizganog goriva, što smanjuje mogućnosti zagrevanja trostepenog konvertora kad je motor potpuno hladan. Prednost za zagrevanje trostepenog konvertora pri hladnom startu nad slojevitim punjenjem ima homogeni deljen način rada. Količina dovedenog goriva je tada bitno veća, što znači više toplote za grejanje.

Dodatni konvertor za NOx:Kod slojevitog punjenja zagrejanog motora temperatura izduvnih gasova opada, konvertor se pothlađuje. Temperatura iznad 650 stepeni potrebna je za početak desulfurizacije. Nisu primenljive metode za grejanje konvertora koje se koriste za rad sa motorom u nezagrejanom stanju (homogen deljen i homogegen)jer su u suprotnosti sa slojevitim punjenjem.

Potrebni su dodatni sistemi i načini za grejanje trostepenog konvertora kod hladnog starta i za grejanje pothlađenog konvertora kod zagrejanog motora.

Start zagrejanog motora posle kratkog prekida rada

Start bez elektropokretača ili sa malom pomoći el.pokretača za prolaz SMT. (Na slici klip je prošao SMT i nalazi se u taktu ekspanzije. U stajanju motora javja se gubitak kompresije na klipnom prstenovima.) Tih i lak start.

Umanjuje emisiju ugljovodonika pri startu i smanjuje potrošnju goriva.Primena za motore koji se automatski isključuju u vožnji posle određenog kratkog

perioda vremena rada na praznom hodu kod zaustavljanja i ponovo uključuju kod nastavljanja vožnje.

Prelazak sa slojevitog na homogeno punjenje

• Slojevito punjenje: Ubrizgavanje za vreme sabijanja (“kasna faza punjenja”)• Homogeno punjenje: Ubrizgavanje za vreme usisavanja (“rana faza

punjenja”)• Položaj pedale gasa: Razdvojen od položaja leptira (“drive by wire”)Računar izvodi neosetan prelaz po momentu pri prelazu sa slojevitog na homogeno

punjenje iako se položaj leptira (throttle valve) menja sa skokom. (Vozač o nagloj promeni položaja leptira, koju izvodi računar, ne zna ništa).

Dijagrami: Sa povećanjem udaljenja pedale gasa od početnog položaja moment raste linearno* bez obzira na prelaz iz slojevitog punjenja na homogeno, kada se klapna naglo pritvara. Sastav smeše je vrlo siromašan i nelinearno postaje bogatiji, a na prelazu iz slojevitog u homogeno punjenje naglo prelazi u stehiometrijski.

Opšta slika upravljanja motorom i vozilom

Pojedini elementi i blok šeme

Funkcionalni blok dijagram izbora i određivanja načina rada DI motora

EGAS: Elektronski gas (ETC)

1. EM: Izbor načina rada DI motora iprvenstvo funkcija u upravljanju*

Sklop funkcija za koordinaciju načina rada motora

Prioritet Funkcija

Bezbednost:1. Nadgledanje rada (moment i brzina motora)2. Zaštita komponenti (preopterećenje, napr.brzina motora, temperatura motora)3. Funkcije za rad u slučaju grešaka (limp-home)

Ostvarivost zahteva za momentom u traženom načinu rada:

4. Mogućnosti uklapanja u zahtev za momentom prema gorivu i vazduhu (kiseoniku) u odnosu na spoljni zahtev za opterećenjem (slojevito/homogeno..., gladak prelaz)

Emisija izduvnih gasova:5. Grejanje katalitičkog konvertora (pothlađen katalizator)6. Regeneracija akumuliranih azotnih oksida NOx (periodično)7. Regeneracija oksida sumpora Sox (periodično)

Početak rada motora:8. Hladan start i zagrevanje motora (ako ne, motor je ugrejan)

Dijagnostički sistem:9. Kontrola dijagnostičkog sistema (vrednosti i logika**)

Izbor načina rada:10. Mape načina rada (homogen, slojevit..., prema momentu i brzini motora)

Posle prolaska kroz funkcije određuje se: Zahtev (samo) za načinom rada motora

2. EM: Izbor načina rada DI motorana osnovu zahteva za načinom rada

Funkcija za izmenu zahteva za rad određuje stvaran način rada motora.Odluka se donosi na osnovu trenutnog stanja sistema za punjenje motora i pomažuću

silu za kočenje vozila:

Kontrolne funkcije za promenu načina radaPunjenje motora

• Recirkulacija izduvnih gasova (EGR) – temperatura sagorevanja• Iskorišćavanje para goriva iz rezervoara (EVAP) – zasićenost posude• Položaja ventila (klapne) za deljenje popr. preseka protoka usisavanog vazduha –

homogenizacija smeše.• Položaj leptira (ETC) – opterećenje se može ostvariti slojevitim punjenjem (WOT) ili

homogenim (prigušeno)?Bezbednost

• Podpritisak u vakuumskom servo-uređaju za kočnicu, dovoljan ili ne (slojevito, homogeno)?

a. Posle prolaska kroz kontrolne funkcije određuju se novi položaji izvršnih organa kojima se upravlja.

b. Organi zauzimaju nove položaje i tada se menja količina goriva i paljenje.

Ishod je stvarni način rada motora: Homogen, slojevit, dvostruko ubrizgavanje...

Zahtev za izabranim načinom rada preme koordinaciji načina rada motora može biti usvojen, ali i promenjen, u zavisnosti od trenutnog stanja sistema motor-vozilo.

Opis nekih elemenata za izbor zahteva za rad i određivanja načina rada motora

Nadgledanje rada

• Moment i brzina motora (stavka 1., bezbednost) Vozilo ne sme ubrzavati ako vozač to ne želi.Upoređuje se zahtevani moment od vozača sa momentom koji motor razvija. Smanjuje se stvarni moment, ako je prevelik u odnosu na zahtev vozača. (Promena je postepena).

– Radni procesor koji izvršava funkcije je u neprekidnoj obostranoj komunikaciji sa modulom za nadgledanje, (upit-odgovori), oba su u ECU.

– Mikrokontroler za nadgledanje kontroliše funkcije koje mogu da otkriju otkaze i neispravnosti radnog procesora i njegovih periferija i testira:

• Anlogno-digitalno pretvaranje• RAM i ROM• Izvršavanje programa• Komande, izvršavanje komandi

Prošireno nadgledanje rada• Funkcije za dodatno nadgledanje

Određuju maksimalan moment koji motor može da ostvari u logičkom smislu. Naprimer: Pun gas, kao zahtev vozača, na malom broju obrtaja motora u odnosu na moguću količinu goriva koju ima smisla ubrizgati.

Opis nekih elemenata za izbor zahteva za rad i određivanja načina rada motora

• Mape načina rada (stavka 10., posle svega)Prolaskom kroz sve funkcije redosledom prioriteta u sistemu izbora zahteva za načinom rada motora, a pre funkcije promene osnova za izbor zhateva za način rada (ne i načina rada) je mapa mogućih načina rada motora.

• Polazne informacije sistema upravljanja (SAU) određuju osnovni zahtev za načinom rada i uzimaju se iz mapa

• Radne informacije Veza sa fukcijama izmene

– Položaj ventila za recirkulaciju izduvnih gasova (EGR), – Stanje akumulatora za benzinske pare (carbon canister, canister purge valve),– Položaj ventila (klapne) za deljenje vazduha u usisnom vodu (ubrzanje struje

vazduha za poboljšanje vrtloženja kod malih brzina, dva usisna ventila), – Položaj leptira (ETC) kojim upravlja ECU.– Podpritisak u vakuumskom servo uređaju

Radne informacije za SAU nisu sastavni deo osnovnih mapa za izbor načina rada motora. Osnovne i radne informacije zajedno određuju uslove za izbor načina rada motora.

Opis nekih elemenata za izbor zahteva za rad i određivanja načina rada motora

• Kontrola podpritiska za vakuumski servo uređaj kočnice

Kada motor radi sa slojevitim punjenjem leptir je otvoren (WOT), a broj obrtaja mali.

Zbog malog prigušenja i malih strujnih brzina može se dogoditi da podpritisak u usisnom vodu ne bude dovoljno velik, tako da vakuumski servo uređaj izgubi podpritisak i ne pruža dovoljnu pomažuću silu na pedali kočnice.

U tom slučaju mora se preći na drugi način rada motora (homogen, sa pritvorenim leptirom), koji će dati dovoljno podpritiska za servo uređaj kočnice:Ekonomičnost potrošnje goriva ustupa prednost bezbednosti vožnje.

Kada podpritisak u servoređjaju za kočenje poraste, motor se može vratiti na slojevito punjenje.

Dizel motori imaju vakuumske pumpe jer uvek usisavaju maksimalnu količinu vazduha, pa je podpritisak u usisnom kolektoru nedovoljan za servo uređaj.

Struktura sistema upravljanja motorom sa podsistemima*

Izbor i određivanje obrtnog momentaZahtevi za momentom

• Spoljni zahtevi za momentom (vozač)– Vozač (pedala gasa)– Kontrola brzine krstarenja (brzina i odstojanje od vozila ispred, izborna f-ja -

vozač)– Ograničenje maksimalne brzine, elektronsko, (250 km/h)– Transmisija (automatska, prenos momenta/snage)– Stabilnost vozila (ESP, veličina momenta)– Kabina (klima, rashlađivanje uzima oko 10 kW (!), konfor)

• Unutrašnji zahtevi za momentom zagrejanog motora (EM)– Start– Prazan hod– Maksimalan broj obrtaja– Ograničenja momenta

• Unutrašnji zahtevi za momentom hladnog motora (EM)– Start– Grejanje katalitičkog konvertora– Prazan hod

Rezultat je suma zahteva za obrtnim momentom

Izbor i određivanje obrtnog momentaOdređivanje momenta

• Izbor obrtnog momenta

Na osnovu sume zahteva za obrtnim momentom određuje se obrtni moment preko komponeti u posebnim podsistemima:

– Vazduh: ETC, EGR Turbo-punjenje, vakuum servo kočnica– Gorivo: Količina, trenutak ubrizgavanja. Korekcije količine za ubrzanje motora-

vozila, zagrevanje, satav smeše , evap. Tačnost sonde i korekcija greške sonde. Isporuka goriva iz rezervoara, količina i pritisak goriva. Propuštanje para goriva iz sistema za gorivo.

– Paljenje: Ugao, bazni i dodatni, vođenje na ivici detonacije za dobijane maksimalnog rada po pV dijagramu, vraćanje paljenja kod detonacije, bezbednosne margine ugla paljenja.

• Parametri za rad motora

Na osnovu izabranog obrtnog momenta određuje sevazduh, gorivo i paljenje:

– Položaj leptira– Vreme ubrizgavanja (faze i impulsi – kada/koliko)– Ugao paljenja– Ventil paralelnog toka turbokompresora (wastegate)

Kontrola efektivnog obrtnog momentaMoment motora - ostvaren

Veličina obrtnog momenta se određuje na osnovu (ne)ravnoteže datog momenta i momenta spoljnog opterećenja (“drive by wire & EM”):

Ulazni moment daje vozač, izlazni moment daje EM, dva moguća ishoda:

• Moment motora jednak je momentu spoljnog opterećenja

– Preko zahteva za momentom, punjenje cilindra (vozač)• Vazduh• Gorivo• Ugao paljenja

• Moment motora veći je od momenta spoljnog opterećenja

– Preko kolenastog vratila, povećanje brzine motora (EM)• Prazan hod• Promena stepena prenosa• Prevelika brzina motora (overrun)• Punjenje turbokompresora

Kontrola efektivnog obrtnog momenta Povratne informacije

Modeliranje momenta - ostvarenogRačunar daje teorijski optimalne parametre za moment motora na osnovu trenutnih

stvarnih vrednosti, dobijenih iz radnih informacija kao povratnih informacije za:• Punjenje cilindra• Ugao paljenja• Brzinu motora• Sadržaj kiseonika u izduvnim gasovima• Fazu redukcije katalizatora

U modeliranju momenta učestvuju i dodatne radne informacije kao povratne:• Pomeranje ugla paljenja u odnosu na zadat ugao• Stvarni sastav smeše u odnosu na zadat sastav (kiseonik u izduvu)• Izostavljanje punjenja cilindara u kojima nema sagorevanja (blank out)

(pojedini cilindri mogu biti isključeni zbog štednje, a ventili zatvoreni zbog eliminacije pumpnih gubitaka)

Modeliran indicirani moment (cilindar) na osnovu povratnih radnih informacija uvodi se kao poseban zahtev za određivanje

• obrtnog momenta• parametara obrtnog momenta

Izduvni podsistem – upravljanje i kontrolaUčešće u sastavu smeše preko viška vazduha

Modeliranje, veličine i procesi• Temperature (zaštita komponenti)• Ispiranja (residual cilindar exaust gas)• Protoka mase izduvnih gasova (zatvorena petlja i dijagnoza katalitičkih konvertora

prema otporu strujanju)• Kontrola iskorišćenja/akumulacije katalitičkog konvertora (akumulatorski tip)• Senzor temperature, tempertura sagorevnj i podaci za testiranje izduvnih gasova

Modeliranje, načini • Kontrola goriva i vazduha

Sastav smeše preko sondi, toksičnost, sonde pre katalizatora (korekcija smeše) i posle katalizatora (rezultat korekcije smeše)Ravnomeran rad motora, kontrola momenta, sonda po svakom cilindru

• Trostepeni katalitički konvertor (bez dodatnog konvertora) sonda iza konvertora, korekcija smeše i toksičnosti izduvnih gasova

• Trostepeni katalitički konvertor sa dodatnim katalizatorom za azotne okside (akumulatorski tip)Trostepeni kat. =1, dodatni za azotne okside >1. Regeneracija az.oks. sa <1, NOx ide u N2 . Desulfurizacija konvertora sa T>650 stepeni C.

• Kontrola temperatureZaštita protiv visoke temperature sagoreanjaUbrzanje grejanja konvertoraSprečavanje pothlađivanja konvertora: Dodavanje ekstra goriva, kasnije paljenje, povećan broj obrtaja na praznom hodu

Mogućnost povećanja momenta motora kod direktnog ubrizgavanja benzina sa promenljivim

fazama ventila (VVT) i turbo – nadpunjenjem

Turbo – punjenje i prirodno usisavanje, prirode krivih:

Kriva momenta sa nadpunjenjem pokazuje maksimalan moment motora pri manjem broju obrtaja (značajno za ubrzanje) od krive bez nadpunjenja koja je i “zaobljenija”.

Otrovne komponente u izduvnim gasovima

Sastav izduvnih gasova i neutralizacija štetnih komponenti

Otrovne komponente u izduvnim gasovima oto motora u zavisnosti od sastava smeše*

U oblasti bogate smeše, sa =0.8-0.9, koncentracija HC i CO je visoka, NOX niska.

U oblasti malo siromašne smeše, sa =1.05-1.1 koncentracija CO i HC je niska, ali je NOx najveća

Suprotno različite koncentracije otrovnih sastojaka CO i HC sa jedne strane i NOx sa druge strane, za iste sastave smeše , otežavaju upravljanje sagorevanjem sa ciljem da sagorevanje bude potpuno čisto.

Nije moguća istovremena neutralizacija sve tri komponente: Azotni oksidi se redukuju posebno.

Potrebno je neutralisati otrovne sastojke produkata sagorevanja pre nego što odu u atmosferu.

Nastanak otrovnih komponenti u izduvnim gasovima oto motora

• Ugljenmonoksid CONastaje kada nema dovoljno kiseonika za sagorevanje, pri radu sa bogatom smešom <1. Kad vazduha ima dovoljno, >1 količina ugljenmonoksida teži minimumu.Ugljen monoksid je produkt nepotpunog sagorevanja.

• Ugljovodonici HCNastaju kad nema dovoljno kiseonika pri radu sa bogatom smešom <1 i u siromašnoj smeši >1,1 kod približavanja granici upaljivosti. Paljenje je otežano po prostoru za sagorevanje, zbog toga slabi sagorevanje u frontu plamena i opada brzina fronta plamena.Nastaju i u blizini zidova prostora za sagorevanje koji hlade smešu. Front plamena ne može da upali hladnu smešu, gasi se i sagorevanje ostaje nezavršeno.Ugljovodonici su produkt nepotpunog sagorevanja.

• Azotovi oksidi NOx Nastaju na visokoj radnoj temperaturi, iznad 2200K i uz dovoljno kiseonika za oksidaciju – u blago siromašnoj smeši >1,0 – 1,1.(Azotni oksidi ne mogu nastati u bogatoj smeši, jer nema kiseonika ni za stehiometrijsko sagorevanje, zbog čega i nastaju nesagoreli ugljovodonici i CO).Daljim osiromašenjem smeše >1,1 temperatura sagorevanja opada (manje goriva) pa se udeo azotnih oksida smanjuje, iako ima dovoljno vazduha. Azotni monoksid NO čini 95%, azotnih oksida (NO2 i drugi azotni oksidi oko 5%)Azotni oksidi su produkt sagorevanja na povišenim temperaturama u prisustvu dovoljno kiseonika.

(Oksidacija: Sjedinjenjavanje sa kiseonikom (+ toplota sagorevanja))(Redukcija: Razjedinjavanje od kiseonika (- toplota redukcije))

Delovanje otrovnih komponenti• Ugljenmonoksid CO

Trajno vezuje hemoglobin koji se nalazi u krvi*, čiji je zadatak da raznosi kiseonik po organizmu.Hemoglobin se labavo jedini sa kiseonikom, a sa ugljenmonoksidom trajno, izazivajući opasno trovanje.Ugljenmonoksid je gas bez ukusa i mirisa, teži od vazduha.

• Ugljovodonici HC

Nadražuju sluzokožu očiju i disajnih organa, a teži ugljovodonici deluju kancerogeno sa dužim vremenom.

• Azotni oksidi NOx

Nadražuju disajne organe i stvaraju “smog” i kisele kiše koje oštećuju biljke.

• Sumpor dioksid SO2

Nastaje od sumpora u gorivu. Produkuje kisele kiše, a kod motora umanjuje reaktivne sposobnosti trostepenih katalizatora i katalizatora azotnih oksida akumulatorskog tipa. Dobra goriva su ona koj u sebi ne sadrže sumpor.

Faktori koji utiču na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Sastav smeše goriva i vazduha

Koeficijent viška vazduha, , za minimum zagađenja, zahtevi kod ubrizgavanja su =1

• Ubrizgavanje u usisne vodove

Homogeno punjenje: =1 (stehiometrijski)

• Direktno ubrizgavanje

Homogeno punjenje: =1 (stehiometrijski)Slojevito punjenje: =1 ili blisko jedan, za sloj koji se pali varnicom.(U cilindru je smeša “u proseku” ekstremno siromašna zbog ekonomičnosti).

Kod homogenog punjenja stehiometrijskom smešom uvek je problem rashlađivanje smeše u blizini zidova cilindra, što remeti termičku sliku homogenizacije. Kondenzacija goriva na zidovima cilindra, ako do nje dođe, remeti i homogenost smeše i stehiometriju smeše.

Kod direktnog ubrizgavanja prelaz sa slojevitog na homogeno punjenje vrši se kad se motor više optereti – veći zahtevi za momentom, ili pređe na viši broj obrtaja (iznad 3000), kada nema dovoljno vremena za homogenizaciju gorivog sloja.

Faktori koji utiču na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Paljenje i varnica

Trenutak (pred)paljenja pp i varnica, zahtevi

• Jaka varnica u pravom trenutku je neophodna za formiraje stabilnog jezgra plamena u periodu pritajenog sagorevanja.

• Stabilno jezgro plamena utiče na formiranje fronta plamena.Pod pojmom “stabilno” misli se na sagorevanje smeše u jezgru, tako da bude neprekidno prostorno i vremenski i sa progresivnim povećanjem dovođenja toplote u periodu pritajenog sagorevanja. Samo jezgro plamena gori zapreminski (vrlo mala, ali konačno mala zapremina), dok front plamena gori kao ljuskasti sloj.Dobro oformljeno jezgro plamena je uslov za dobro oformljen ljuskasti front plamena u kom sagorevanje daje minimum otrovnih produkata sagorevanja.

• Sastav smeše oko elektroda svećice značajan je za formiranje jezgra plamena. Mora biti homogen.

(Važi i za indirektno i direktno ubrizgavanje).

Faktori koji utiču na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Formiranje smeše

Formiranje smeše – zahtevi

• Homogena smeša

Cilindar: Ravnomerno popunjen ceo radni prostor cilindraMotor: Ravnomeran raspored smeše po pojedinim cilindrima motora

• Slojevito punjenje (direktno ubrizgavanje)

Homogenost smeše je posebno važna za sloj smeše oko elektroda svećice za jezgro plamena.

Ravnomeran raspored smeše po cilindrima se ne može ostvariti karburatorom ili ubrizgavanjem u jednoj tački (single point) za sve cilindre, jer dužina puta smeše i oblik voda nisu isti za sve cilindre.Na dužem putu kroz usisini vod ima više mogućnosti da se gorivo kondenzuje i stvara “film” koji “puzi” po zidovima usisne cevi-voda, naročito ako su krivine cevi sa malim poluprečnikom (oštre).

Neravnomeran raspored smeše po pojedinim cilindrima prouzrokuje da “jedan cilindar vuče drugi cilindar”.

Faktori koji utiču na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Brzina motora i količina punjenja uz vreme za sagorevanje

Na višim brojevima obrtaja:

Otpori motora i pomoćnih uređaja rastu

Za isto povećanje snage motora potrebno je srazmerno dodati “više gasa” nego na nižim brojevima obrtaja (moment opada na višim br. obrt.).Zato se koriste područja sa manje snage – manjim brojevima obrtaja kod programiranja za vođenje upravljanih motora. Moment se može programski držati stabilnim i u području broja obrtaja manjem od broja obrtaja maksimalnog momenta, inače nestabilnom za vozača. (Bez programskog upravljanja je kontrola otežana.)

Više sagorele smeše daje i veću količinu produkata sagorevanja i lošiji sastav produkata sagorevanja. Zagađenje je kvalitativno i kvantitativno veće.

Vreme za sagorevanje se skraćuje, ostaje manje vremena za potpuno, odnosno “idealno” sagorevanje.

Faktori koji utiču na stvaranje pojedinih otrovnih komponenti:Podukcija Ugljovodonika (HC)

i Opterećenje i brzina motora, sastav smeše i trenutak paljenja

• Obrtni momentOpterećenje motora poboljšava sagorevanje HC:Veći momentom podiže temperaturu sagorevanja i sagorevanje u blizini hladnih zidova u periodu dogorevanja je potpunije. Raste i temperatura izduvnih gasova pa se vrši dodatna redukcija ugljovodonika u toku izduvavanja.

• Brzina motoraPogoršava sagorevanje HC:Sa povećanjem brzine raste količina ugljovodonika jer se skraćuje vreme za pripremu smeše.Homogenizacija smeše i ravnomerna popuna cilindra je lošija, a vreme za sagorevanje kraće.

• Sastav smešeBogata smeša <1 nema dovoljno kiseonika pa raste količina HC, sa druge straneSiromašna smeša >1,2 teško se pali i sporo sagoreva pa raste HC

• Trenutak paljenjaPrerano paljenje pogoršava sagorevanje: Pomera se glavno sagorevanje unapred. Front plamena je slabiji kod dogorevanja, temperatura u dogorevanju je niža i sadržaj HC raste.Opada i temperatura izduvnih gasova koji mogu dodatno da oksidišu HC.

Faktori koji utiču na stvaranje pojedinih otrovnih komponenti:Podukcija Ugljenmonoksida (CO)

i Opterećenje i brzina motora, sastav smeše i trenutak paljenja

• Obrtni momentVeći moment poboljšava sagorevanje jer podiže temperaturu sagorevanja i pomaže oksidaciju ugljenmonoksida u taktu širenja. Opterećenje motora smanjuje količinu ugljenmonoksida.(Kao i kod ugljovodonika).

• Brzina motoraVeća brzina pogoršava sagorevanje jer se vreme za sagorevanje smanjuje pa se povećava sadržaj CO.Homogenizacija smeše i ravnomerna popuna cilindra je lošija iz istog razloga.(Kao i kod ugljovodonika).

• Sastav smešeBogata smeša <1 nema dovoljno kiseonika pa raste udeo COSiromašna smeša >1 ima dovoljno kiseonika pa opada CO.Jedini izvor CO u siromašnoj smeši je nepotpuno sagorevanje zbog loše homogenizacije smeše. Nepotpuno sagorevanje biće u delovima smeše gde je usled nehomogenizacije <1.

• Trenutak paljenjaTrenutak paljenja malo utiče na povećanje emisije CO. Pretežni uticaj ima sastav smeše.

Faktori koji utiču na stvaranje pojedinih otrovnih komponenti:Podukcija Azotnoh oksida (NOx)

i Opterećenje i brzina motora, sastav smeše i trenutak paljenja

• Obrtni momentVeći moment – veće opterećenje motora, podiže temperaturu sagorevanja i stvara bolje uslove za nastanak azotnih oksida, čija količina naglo raste. (Motor se usled mehaničkog naprezanja više napreže i termički).

• Brzina motoraVelika brzina smanjuje vreme u kom dolazi do formiranja azotnih oksida pa se njihova količina smanjuje.Mala brzina daje lošije ispiranje cilindra i povećava količinu zaostalih gasovi iz prethodnog cikusa. Zaostali gasovi snižavaju temperaturu sagorevanja jer sami ne sagorevaju, a i povećavaju specifičnu toplotu radnog tela i time smanjuju količinu azotnih oksida.Na prelazu od malih ka velikim brzinama, sa porastom brzine, ispiranje prostora za sagorevanje se poboljšava, a smanjuje se količina zaostalih gasova. Temperatura sagorevanja raste, vremena za sagorevanje ima dovoljno, a time raste i količina azotnih oksida.

• Sastav smešeBogata smeša sa <1 nema dovoljno kiseonika pa nema uslova za stvaranje azotnih oksida.(Bogata smeša se koristi kao agens za redukciju azotnih oksida zbog HC).Siromašna smeša >1,05 – 1,1 ima dovoljno kiseonika i dovoljno visoku temperaturu sagorevanja, pa je količina azotnih oksida najveća.Kod >1,1 opada količina azotnih oksida, jer siromašna smeša ima nisku temperaturu sagorevanja (malo goriva).Direktno ubrizgavanje, homogeno slojevito sa dva ubrizgavanja:U zoni jezgra plamena (oko elekroda) smeša je bogata i nema kiseonika za stvaranje azotnih oksida.U zoni sloja sa siromašnom smešom (cilindar) ima kiseonika, ali je u siromašnoj smeši temperatura sagorevanja snižena, pa nema azotnih oksida. (To je prednost direktnog ubrizgavanja).

• Trenutak paljenjaTrenutak paljenja znatno utiče na povećanje emisije azotnih oksida. Sa povećanjem ugla pretpaljenja raste pritisak sagorevanja više nego obično, s njim i temperatura gasa, a sa porastom temperature sagorevanja raste i količina azotnih oksida.

Snaga motora i potrošnja goriva u zavisnosti od sastava smeše

• Najveću snagu motor razvija sa bogatom smešom, ali je tada i potrošnja goriva najveća. Sagorevanje je brzo (dovođenje toplote Q pri V=const), ali nema kiseonika za potpuno iskorišćenje goriva.

• Najveću ekonomičnost motor ima kod blago siromašne smeše, jer mali višak vazduha obezbeđuje svakom molekulu goriva kiseonik za sagorevanje, kompenzujući nepotpunu homogenost smeše. Međutim, snaga opada sa osiromašenjem smeše, jer je sagorevanje sporije.

Kvantitativni sastav izduvnih gasova

Savremen upravljan motor u radu sa stehiometrijskom smešom, zagrejan na radnu temperaturu, pored vodene pare i ugljendioksida, koji su produkti normalnog – “idealnog” sagorevanja, ima i drugih produkata zbog nesavršenosti procesa sagorevanja:

= 1.0: CO2 i H2O i N2 čini više od 98% izduvnih gasovai oko

1% drugih produktata sagorevanja

(Voda oko 13%, ugljendioksid oko 14% i azot oko 71%.)

Najgore otrovne komponenti u izduvnim gasovima posle sagorevanja u motoru su:

• Ugljenmonoksid CO• Ugljovodonici HC i• Azotni oksidi NOx

Kod “fosilnih” goriva, kada se i ostvari teorijski idealno sagorevanje, ugljendioksid kao produkt sagorevanja, jeste neizbežan. Ugljendioksid, kao gas, učestvuje u smeši gasova koji stvaraju efekat “staklene bašte” i time globalno zagrevanje atmosfere.

Jedini način da se smanji emisija ugljendioksida u izduvnim gasovima toplotnog motora je smanjenje potrošnje goriva*.

Katalitički konvertori za neutralizaciju otrovnih komponenti

u izduvnim gasovima

Najvažniji uticaj na stvaranje otrovnih komponenti imaju:• Sastav smeše • Trenutak paljenja

Upravljanje radom motora treba da bude takvo da se stvara što manje otrovnih komponenti

Interval regulisanja za neotrovno sagorevanje mora imati dovoljno kiseonika u homogenoj smeši i vrlo je uzan za : = 1.0 – 1.05

Prerano data varnica diže vršnu temperaturu sagorevanja i pogoduje stvaranju azotnih oksida. (Kasna varnica umanjuje dobijeni rad jer se dijagram pomera na stranu ekspanzije).

Katalitički konvertori mogu da prevedu 99% ugljenmonoksida, ugljovodonika i azotnih oksida u neškodljive supstance.

(od oko 1%, koliko ih ima sa svim ostalim produktima, osim CO2, H2O i N2)

Sastav izduvnih gasova u zavisnosti od koeficijenta viška vazduha/mase goriva i vazduha i

Intervali rada trostepenih katalizatora i katalizatora za azotne okside

• Za rad sa stehiometrijskom smešom =1, dovoljan je trostepeni katalitički konvertor.Količina azotnih oksida je relativno mala.

• Za rad sa siromašnom smešom, ≥1.05, potreban je dodatni konvertor za redukciju azotnih oksida.Količina azotnih oksida je velika.

Snaga i moment motora u zavisnosti od sastava smeše

• U oblastima siromašne smeše pad snage je znatno veći za istu promenu sastava smeše nego u oblasti bogate smeše

• Iznad 5000 o/min moment motora opada zbog povećanih unutrašnjih otpora, iako se prelazi na bogatu smešu, koja daje najveće momente.

Katalitički konvertoriTrostepeni katalitičkim konvertori su uređaji u kojima se otrovni sastojci izduvnih

gasova hemijskim reakcijama pretvaraju u neotrovne supstance.*

Ovi konvertori mogu uspešno da rade samo ako se sastav smeše održava u vrlo uskim granicama oko stehiometrijske smeše =1.

Za ostvarenje rada sa stehiometrijskom smešom potreban je upravljan motor sa sistemom povratne sprege (SAU) davačima za kontrolu izduvnih gasova.

Ubrizgavaje goriva je zamenilo karburatore, jer karburatori ne mogu da ostvare rad sa stalnim sastavom smeše =1, odnosno oko stehiometrijske vrednosti =1,05–1,10 ili siromašne smeše >1.1.

Direktno ubrizgavanje (u cilindar motora) smenjuje indirektno ubrizgavanje (ubrizgavanje u usisni vod), zbog manje toksičnosi i bolje ukupne efikasnosti motora (veća kompresija, slojevito punjenje).

Najviše su u upotrebi trostepeni konvertori, po jedan “stepen” za po jednu – svaku otrovnu komponentu, CO, HC i NOx.

Trostepeni katalitički konvertor koji radi sa stehiometrijskom smešom, =1, ne može da redukuje azotne okside u siromašnoj smeši, >1.1. Motori koji mogu da rade sa siromašnom smešom (lean burn) imaju dodatni konvertor za azotne okside, a redukcija se vrši u prisustvu agensa (HC).

Dodatni konvertor za azotne okside je akumulatorskog tipa – može da akumulira određenu količinu azotnih oksida, i da ih u pogodnom trenutku redukuje (ECU).

Katalitički konvertoriOsobine

• Katalitički konvertori neutrališu otrovne komponente u izduvnim gasovima tek kad dostignu radnu temperaturu (600/800 stepeni celzijusa).

• Najveće zagađenje u izduvnim gasovima je kod hladnog starta i potom zagrevanja motora, kad konvertori nisu dovoljno zagrejani, a smeša je bogata.

Uslovi upravljanja motorom za neutralizaciju otrovnih komponenti:

• Što pre ugrejati motor i konvertor posle hladnog starta motora• Što pre dobiti očitavanje sa davača, kako bi se mogao efikasno

popravljati rad motora

I konvertori i senzori – davači, se zbog toga greju kod hladnog starta posebnim metodama i sredstvima za brzo zagrevanje.

Način rada konvertora po vremenu• Trostepeni katalitički konvertori (HC, CO, NOx) (primarni, ako postoji i dodatni

konvertor za azotne okside), po vremenu:Rade neprekidno

Za vreme rada sa stehiometrijskom smešom =1 dodatni konvertor radi kao i trostepeni konvertor, jer je količina azotnih oksida zbog nepostojanja viška kiseonika mala. (Sl. 190)

• Katalitički konvertori za azotne okside (NOx) (glavni), po vremenu:Rade prekidno (akumulatorski)

Za vreme rada sa siromašnom smešom >1, zbog viška vazduha, određena količina azotnih oksida (NOx) se akumulira u dodatnom konvertoru. Kad se konvertor napuni oksidima, motor se kratkotrajno prebacuje na rad sa bogatom smešom <0.8. Pomoću platine kao katalizatora u oblozi rešetke, prevode se azotni oksidi u azot dioksid (NO2).

Bogata smeša ima nesagorele ugljovodonike HC, koji se koriste kao agensi za redukciju azotnih oksida.

Rad motora sa bogatom smešom traje dok se ne isprazni dodatni konvertor od azotnih oksida i redukcijom prevedu azotni oksidi u azot N2 i kiseonik O2.Kad se dodatni konvertor isprazni od azotnih oksida, motor se vraća sa bogate smeše na uobičajen način rada po sastavu smeše, sve do ponovnog akumuliranja azotnih oksida, kada se postupak za njihovu neutralizaciju ponavlja.

Dodatni konvertor se posebnim postupkom desulfurizacije oslobađa i od sumpornih jedinjenja.

Način rada konvertorapo hemijskoj reakciji

Trostepeni katalitički konvertor pretvara ugljenmonoksid (CO), ugljovodonike (HC) i azotne okside (NOx ) u ugljen dioksid (CO2) i vodu (H2O) prema sledećim formulama:

2 2

2 6 2 2 2

2 2

2 2 2 2

2 2

2 7 4 6

2 2 2

2 2 2

Oksidacija

CO O CO

C H O CO H O

Redukcija

NO CO N CO

NO CO N CO O

= 1: Oksidacija (sagorevanje) i redukcija je dobra, stehiometrijska smeša

> 1: Oksidacija CO i HC je dobra zbog kiseonika u izduvnim gasovima. Međutim, zaostaju azotni oksidi

< 1: Azotni oksidi se redukuju uz pomoć CO i HC kao agensa redukcije. CO i HC koji nisu ušli u redukciju oslobadjaju se bez oksidacije, jer nema kiseonika.(!)*

Katalitički konvertoriKonstrukcija

• Kućište je od lima i u njemu se nalazi veoma porozna katalitička rešetka od keramike ili metala. Zidovi rešetke formiraju kanale kvadratnog popečnog preseka kroz koje struje izduvni gasovi. (Substrat – izdvajač).

• Pre i posle rešetke nalazi se po jedna komora u koju izduvni gasovi ulaze pre prolaska kroz rešetku i izlaze posle prolaza kroz rešetku

• Metalna katalitička rešetka (debljine zidova rešetke 0.05mm) je poroznija od keramičke i daje manje otpore strujanju izduvnih gasova. Direktno se ugrađuje u kućište. Pogodna je za motore sa većim brojevima obrtaja.

• Keramička katalitička rešetka (debljine zidova 0.05 – 0.016 mm) od magnezijum – aluminijum silikata obložena je mineralnom tkanjem (matom, mrežom keramičkih vlakana) za zaptivanje, zaštitu od udaraca, kompenzaciju razlike temperaturne dilatacije između keramike i metala i izolaciju toplote. Veoma je postojana na visoku temperaturu i otporna na temperaturne promene (thermo-stress).Keramička rešetka je najviše u upotrebi.

• Rešetka je prekrivena oblogom od oksida aluminijuma (Al2O3) (coat) veoma velike poroznosti što uvećava površinu za katalitičku reakciju (7000 puta).Obloga sadrži plemenite metale kao katalizatore, platinu i/ili paladijum za oksidaciju ugljenmonoksida i ugljovodonika i rodijum za redukciju azotnih oksida. Masa ovih metala u katalizatoru je između 1 i 5 grama.

• Konvertor za azotne okside ima istu funkcionalnost i elemente kao i trostepeni katalitički konvertor, ali ima i supstance koje mogu da akumuliraju i otpuštaju azotne okside. Najveći deo ugljenmonoksida i ugljovodonika neutrališe primarni konvertor, ostatak dodatni (“glavni”) konvertor, čija je osnovna namena neutralisanje azotnih oksida.

Upravljanje katalitičkim konvertorom za neutralizaciju toksičnih produkata sagorevanja

Radna temperatura trostepenog konvertora je 400 – 800 stepeni C, a dodatnog konvertora 300 – 400 stepeni.

Za redukciju azotnih oksida motor se kratko prebacuje na rad sa bogatom i homogenom smešom , = 0,8.

Utvrđivanje napunjenosti i ispražjenosti akumulatora azotnim oksidima vrši se:• Računski, na osnovu temperature izduvnih gasova. Redukcija oduzima toplotu, pa

pada temperatura izduvnih gasova. Kad intenzitet redukcije oslabi, temperatura izduvnih gasova raste.

• Sondom za azotne oksideMerenjem količine azotnih oksida u izduvu, koja raste kad je akumulator napunjen. (Jedini direktan način).

• Lambda sondomKoncentracija kiseonika u izduvnim gasovima raste kad se azotnim oksidima oduzme kiseonik i u produktu dobiju azot i kiseonik, a opada kad intenzitet redukcije oslabi. (Lambda senzor meri koncentraciju kiseonika).

Motor sa katalitičkim konvertorom ne sme kao gorivo da troši benzin sa dodacima olova za povećanje oktanskog broja – sprečavanje detonativnog sagorevanja. Olovo, ako ga ima u gorivu, taloži se na rešetki i time sprečava katalitičko dejstvo platine i rodijuma. (Nema popravke konvertora u tom slučaju, samo zamena).

Konvertoru za azotne okside smeta sumpor u gorivu (ako ga ima), jer se jedini sa sastojcima koji akumuliraju azotne okside. (Popravljivo postupkom desulfurizacije u vožnji, t>700 stepeni C).

Katalitički konvetorPozicija u izduvnom sistemu,

strujanje izduvnih gasova kroz konvertor isastavni elementi

Trostepeni katalitički konvertorIzgled preseka mikrografske strukture površine

presvlake keramičkog bloka

Presvlaka (coat) je od oksida aluminijuma Al2O3 velike poroznosti i stoga veoma velike površine u odnosu na zapreminu koju zauzima.

Trostepeni katalitički konvertorPresek kroz metalni katalizator i dela rešetke (levo) i

izgled keramičkog konvertora i konvertorskog bloka (desno)

Katalitički konvertoriKonfiguracija

• Trostepeni konvertor (“primarni”)Postavlja se ispred dodatnog akumulatorskog konvertora u struji izduvnih gasova jer ima višu radnu temperaturu. Primarni zadatak je neutralizaacija ugljenmonoksida i ugljovodonika.Da bi se brže ugrejao posle hladnog starta manji je po veličini od dodatnog (time manje površine koja razmenjuje toplotu sa okolinom), ali zato što vrši najveći deo konverzije ima veću gustinu poroznosti u katalizatoru i time veću aktivnu povšinu katalizatora.

• Dodatni katalizator (“glavni”)Postavlja se iza trostepenog u struji izduvnih gasova jer ima nižu radnu temperaturu. Veći je od trostepenog (veća površina), da bi odavao više toplote u cilju održavanja niže temperature.

Istovremena efikasna neutralizacija ugljenmonoksida i ugljovodonika sa jedne strane i azotnih oksida sa druge strane, u radu sa siromašnom smešom, nije moguća jer se za redukciju azotnih oksida koriste ugljovodonici kao agens redukcije, a ugljovodonika nema u radu sa siromašnom smešom =1,0-1,05, u kojoj nastaju azotni oksidi.

Za neutralizaciju azotnih oksida motor se prevodi na rad sa bogatom smešom, da bi se dobili ugljovodonici, potrebni za redukciju azotnih oksida. Ugljovodonici (HC) će se najvećim delom iskoristiti za redukciju azotnih oksida (NOX), ali ugljenmonoksid (CO), nastao usled nepotpunog sagorevanja zbog nedostaka kiseonika u bogatoj smeši, ostaje nedovoljno tretiran. (V. dijagram HC, CO, NOX vs. ).

Katalitički konvertoriGrejanje za postizanje radne temperature

kod hladnog starta

Minimalna radna temperatura katalitičkih konvertora je 300 stepeni Celzijusovih. Kod hladnog starta potrebno je što pre ugrejati konvertor(e) do radne temperature na kojoj može da neutrališe otrovne sastojke u izduvnim gasovima.Nema značajne konverzije otrovnih komponenti u izduvnim gasovima bez radne temperature konvertora. (Ispod 300 stepeni C konvertor ne funkcioniše).Kod hladnog starta, motor je hladan, a hladan je i izduvni sistem zajedno sa konvertorima.

Načini grejanja katalitičih konvertora

• Grejanje konvertora upravljanjem rada motora– Povećanje temperature izduvnih gasova (I=U+pV, entalpija)– Povećanje protoka izduvnih gasova (veća količina dovedene toplote)

• Grejanje konvertora pomoću dodatnih izvora za grejanje– Električni izvori toplote (direktno grejanje)– Izvori toplote sa sagorevanjem

Grejanje konvertora upravljanjem rada motora• Trenutak paljenja

Osnovna mera– Povišenje temperature izduvnih gasova pomeranjem paljenja na kasnije.

Izduvni gasovi dobijaju relativno visoku temperaturu na kraju ekspanzije.Nedostatak: Sagorevanje se premešta u takt širenja, što umanjuje dobijeni rad motora.

• Prazan hodPomoćna mera

– Povećanje broja obrtaja praznog hoda motoraVeći broj obrtaja praznog hoda povećava protok izduvnih gasova, istovremeno i omogućava pomeranje paljenja na kasnije, jer motor razvija više snage i radi stabilnije.Kasnije paljenje je 10 – 15 stepeni posle SMT, jer više od toga ugrožava rad motora.Ova mera nije uvek dovoljna za zagrevanje motora na radnu temperaturu, posebno kada su spoljne temperature niske.

Savet vozaču:Što pre pokrenuti vozilo posle hladnog starta, čime se povećava opterećenje motora (srednji indiciran pritisak). Povećanje opterećenja motora brže dovodi motor na radnu temperaturu.Vožnja u periodu zagrevanja motora ne treba da bude sa prevelikim opterećenjem, naročito ne sa velikim brojem obrtaja, jer hladan motor ne razvija nominalnu snagu i pokretni delovi sklopova motora nemaju radne zazore dok se motor ne zagreje.Sa porastom temperature motora prema radnoj temperaturi postepeno opterećivati motor sve više.

Grejanje konvertora upravljanjem rada motora• Trenutak otvaranja izduvnih ventila, za AVT

Primenljivo kod motora koji mogu menjati šemu razvoda izduvnih ventila u toku rada motora.Izduvni ventil se otvaraju ranije u procesu ekspanzije, čime se još veća količina dovedene toplote odvodi u izduvni sistem, ali uz dodatni gubitak rada. (I=U+pV)

• Ubrizgavanje goriva pri kraju takta ekspanzijeKod slojevitog punjenja i direktnog ubrizgavanja goriva na kraju takta ekspanzije, posle sagorevanja sa “prosečno” siromašnom smešom, ubrizgava se dodatna količina goriva u cilindar.Dodatno ubrizgano gorivo odlazi u izduvni sistem, ne sagorevši u cilindru.Za sagorevanje ovog goriva potrebno je u izduvni sistem dovesti i određenu količinu vazduha. Posebna pumpa za vazduh ubacuje dodatni vazduh u izduvni sistem.Količina dodatnog vazduha je takva da smeša u izduvnom sistemu sagoreva kao siromašna, dajući toplotu i visoku temperaturu izduvnih gasova u izduvnom sistemu.Za uspešno sagorevanje smeše u izduvnom sistemu potrebno je da temperatura i toplotna energija izduvnih gasova posle sagorevanja u motoru bude dovoljna. To se ostvaruje pomeranjem trenutka paljenja na kasnije.

Vrlo bogata smeša =0,6 sagoreva u izduvnom sistemu pre ulaska u katalitički konvertor.Manje bogata smeša =0,9 sagoreva u izduvnom sistemu posle ulaska u katalitički konvertor.Prva varijanta je bolja za konvertor jer smeša sagoreva pre konvertora i uz razvijenu toplotu uvodi u konvertor spolja. Druga varijanta greje konvertor iznutra, što je lošije, jer je grejanje sporije, a smeša tek po sagorevanju može da se neutrališe.

Upotreba pumpe za vazduh kod rada motora sa velikim snagama

Posebna pumpa za dodavanje vazduha u izduvni sistem se uključuje i kad su veliki zahtevi za snagom motora*.

Kada se od motora zahteva velika snaga, motor radi sa bogatijom/bogatom smešom, < 1, s obzirom na svoju prirodu. Sa većim punjenjem i naročito većim brojevima obrtaja pogoršava se sastav i količina otrovnih komponenti u izduvnim gasovima. Katalitički konvertor radi u uslovima sa povećanom količinom ugljovodonika (HC) i ugljenmonoksida (CO). (Azotni oksidi se ne stvaraju, bez obzira na termičko naprezanje motora, jer u bogatoj smeši nema kiseonika ni za stehiometrijsko sagorevanje).

Pumpa za vazduh je odvojena od izduvnog sistema jednim ventilom, koji sprečava tok izduvnih gasova ka pumpi kada je neaktivna. Ventil je jednosmeran (nepovratan) i protočan samo ka izduvnom sistemu, kad se otvori. Upravljan na bazi razlike u pritiscima, ili preko računara električno ili pneumatski-električno. Signal kod zahteva za velikom snagom motora je pneumatski i dobija se iz usisnog voda, u kome sa povećanjem zahteva za snagu raste podpritisak. (Velika snaga se razvija na velikim brojevima obrtaja, pri kojima je velika brzina ustrujavanja i otvoren leptir WOT). Podpritisak se neposredno korisiti za otvaranje ventila ili se signal podpritiska vodi u računar, koji upravlja radom ventila pumpe.

Grejanje konvertora dodatnim izvorima toplote

• Električni izvori

Uređaji koji direktno greju katalitičku površinu, smešteni su u samom konvertoru. (Snage oko 2kW).Snaga električnog izvora je oko 10 puta manja od snage koja se troši kod grejanja upravljanjem rada motora (oko 20kW) jer se katalizator greje direktno, a ne preko izduvnih gasova.

Nedostatak: Potreban je jači alternator i dodatni akumulator (jača struja u vreme grejanja konvertora P=UI dobija se iz povećanog kapciteta akumulatora).Električni izvor za grejanje katalitičkog konvertora pogodan je za hibridna vozila, koja već imaju snažne električne sisteme.

• Izvori toplote sagorevanjem

Posebni izvori toplote koji sagorevaju gorivo i produkte sagorevanja ubacuju u izduvni sistem pre katalitičkog konvertora.Imaju sopstvene sisteme za paljenje smeše i za kontrolu sastava smeše, da ne bi produkti sagorevanja samog grejača imali toksične sastojke i time dodatno opterećivali neugrejane katalitičke konvertore.

Prednost: Nesagoreli sastojci iz motora sagorevaju (ako ima dovoljno kiseonika) kada se pomešaju sa toplim gasovama iz grejača i manje toksičnih sastojaka odlazi u katalitički konvertor.

Dodatni izvori za grejanje katalitičkih konvertora mogu se kombinovati sa merama za grejanje konvertora upravljanjem rada motora.

Letnji semestar, 2010-2011

Pretvaranje sile u momentKlip pritisnut gasnom silom, nastalom pritiskom gasa na gornju površinu klipa, kreće se

pravolinijski (ili kružno*) u cilindru motora. Gasna sila je promenljiva i za ciklus opada sa ekspanzijom.

Taktovi se ponavljaju u ciklusima, a kretanje klipa pretvara se klipnjačom u neprekidno obrtno kretanje kolenastog vratila. Sila pritiska klipnjače na kolenasto vratilo zavisi od ugla koji klipnjača gradi sa kolenom kolenastog vratila.

Ili:Transformaciju oscilatornog pravolinijskog kretanja klipa u obrtno kretanje kolenastog

vratila vrši motorni mehanizam, čiji su glavni elementi klip, klipnjača i kolenasto vratilo.

Sa transformacijom kretanja klipa iz pravolinijskog u kružno kretanje radilice transformiše se rad gasne sile u obrtni moment.

Dobijeni moment sile je dinamički – postoji dok ima obrtnog kretanja, odnosno dok motor radi.

Zbog promenljive gasne sile i promenljivog ugla klipnjače prema kolenastom vratilu, obrtanje kolenastog vratila je neravnomerno. Neravnomernost obrtanja kolenastog vratila umanjuje se zamajcem motora.

Klip i klipni prstenovi

Klip - Funkcija• Prijem gasne sile i prenos sile na osovinicu klipa

Sa osovinice sila (deo) se prenosi na klipnjaču i odatle na koleno kolenastog vratila, dajući dinamički obrtni moment. Moment se prenosi na zamajac motora i sa zamajca daje na korišćenje potrošaču.

• Oblikovanje prostora za sagorevanjeOblik gornje površine klipa određuje zajedno sa kompresionim prostorom oblik prostora za sagorevanje. Važi i za oto i za dizel motore.

Deo toplote koju klip primi prenosi se na klipne prstenove i odatle na zidove cilindra, sa kojih ide na rashladnu tečnost (60%). Ostatak toplote ide na osovinicu klipa i sa osovinice na klipnjaču, a deo sa plašta klipa preko ulja odlazi u kućište motora.

Klip je izložen jakim mehaničkim i toplotnim opterećenjima.

Oštećenja klipa (najčešća)• Prskotine• Progorevanje• Zaribavanje

Do prskotina i progorevanja dolazi usled toplotnog naprezanja na gornjoj površini klipa, a do zaribavanja dolazi zbog nedostatka podmazivanja na bočnoj strani klipa.

Oblici klipa - osnovni

Oblici glave (krune) klipa:Ispupčen, udubljen i ravanIspupčen klip ima žljebove na prvom grebenu.Ravan klip ima na gornjoj površini udubljenja za sprečavanje interferencije*

• Oblici plašta tela klipa:Pun, smanjen manje i smanjen više (sa leva na desno)

Karakterisitični delovi klipa - šema

1. Kruna ili glava klipa2. Pojas klipnih prstenova3. Plašt4. Kompresiona visina (koničnost),

ispod je deo koji vodi klip u cilindru - plašt

5. Osovinica6. Grebeni koje formiraju žljebovi

za klipne prstenove7. Žljeb kompresionog prstena,

zatvaranje kompresionog prostora

8. Žljeb kombinovanog prstena, kompresija i struganje ulja

9. Žljeb za uljni prsten,razmazivanje i uklanjanje viška ulja sa otvorima za prolaz ulja

Konstruktivni oblik klipa• Gornja površina

Ravna, blago ispupčena ili udubljena. U udubljenje može biti i ceo prostor za sagorevanje (dizel). Gornja površina klipa prima najveći deo toplote.

• Prvi bočni greben (land)Ide bočno od gornje površine klipa do prvog klipnog prstena (kompresioni). Nema kontakt sa zidom cilindra jer je zazor manji nego u zoni plašta, kojom se klip vodi u cilindru. U procepu između cilindra i prvog grebena je potpuno sagorevanje nemoguće zbog hladnih zidova cilindra. Tu se stvaraju nesagoreli ugljovodonici HC. Ako na grebenu postoje žljebovi po obimu*, njima se povećava zapremina u procepu, gas ekspandira i pritisak i temperatura gasa padaju. To je “toplotni štit” za prvi prsten.

Materijal koji potpuno popunjava zapreminu klipa od gornje površine do unutrašnje velike šupljine u klipu često se naziva “čelo” klipa.

Smanjenje visine prvog grebena smanjuje masu čela klipa i smanjuje zapreminu procepa u kojoj se stvaraju nesagoreli ugljovodonici. Međutim, tada je prvi klipni prsten izložen većem toplotnom naprezanju, jer je bliži gornjoj površini klipa koja se najviše greje. Istovremeno, kod tečnošću hlađenih motora prilazi bliže vrhu bloka, zoni iznad nivoa tečnosti za hlađenje u bloku pa se manje hladi. (Gornja površina bloka).

• Žljebovi za klipne prstenoveDeo klipa na kom su žljebovi takođe nema dodir sa zidom cilindra. Kod termički opterećenih klipova (dizel) u prvi žljeb se kod livenja stavlja prsten od sivog liva kao mehaničko ojačanje. Prsten se legira niklom i bakrom zbog približenja toplotnog koeficijenta širenja klipa sa materijalom bloka, i boljeg provođenja toplote. (Silumin*, materijal od kog se klip najčešće izradjuje, se približno dva puta više širi od sivog liva). Najveći razmak - greben je između prvog i drugog prstena.

Čelo klipa se savija oko osovinice pod pritiskom gasne sile, pa se često ojačava rebrima koja idu od čela do ušica (“okaca”).

Čelo klipa, grebeni i žljebovi za klipne prstenove čine glavu ili krunu (crown) klipa.

Konstruktivni oblik klipa• Ušice za osovinicu (“okca”)

Služe kao ležaj osovinice klipa. Ako je klip od silumina, klizna svojstva su dobra pa za osovinicu klipa nisu poterbni posebni klizni ležaji, ako se okreće u ušici klipa.

• Plašt klipaKlip se plaštom oslanja na zid cilindra pod dejstvom normalne sile. Plašt vodi klip ne dopuštajući kontakt glave klipa sa zidom cilindra. Normalna sila se nalazi u ravni koja prolazi kroz osu osovinice klipa, a normalna je na osu cilindra. Normalna sila je promenljiva po smeru zbog položaja klipnjače, koja menja ugao, i po intenzitetu zbog položaja klipa koji “hoda” u cilindru.Plašt nije potreban u pravcu ose osovinice klipa, jer normalna sila ne deluje u tom pravcu. Zato se plašt sa te strane smanjuje, čime se smanjuje masa klipa i površina trenja plašta o zidove cilindra.

Radni zazor između plašta i cilindra treba da bude minimalan, zbog najboljeg zaptivanja. Minimalna debljina sloja ulja za podmazivanje koja se ne “kida” između klipa (plašta) i zida cilindra je 5-10 µm (0.005-0.01mm). Po prečniku je to 0.02mm, pa je zazor klipa i cilindra sa savremenom tehnologijom od 0.02-0.05mm. Smanjenje ispod minimalne debljine sloja ulja (ispod 0.005mm) dovodi klip u uslove polusuvog trenja. Da bi polusuvo trenje bilo održivo, potrebno je na klip naneti grafitnu presvlaku (coat), koja će smanjiti trenje između zidova cilindra i klipa. Nedovoljno smanjeno trenje će u suprotnom, prvo izazvati povećane otpore kretanju klipa, a potom veće grejanje klipa, odnosno njegovo termičko naprezanje. Bez podmazivanja, klip će se usled trenja ugrejati i uvećati svoje dimenzije toliko da će zaglaviti u cilindru*.

Ušice klipa i plašt klipa čine telo klipa.

Klip u preseku

Gornja slika• Identifikaciona oznaka• Udubljenje za ventile• Ispupčenje za prevrtanje

(tumble) vazduha/smeše (dome)

• Ušice i otvor za osovinicu• Žljeb za aksijalni osigurač

osovinice klipa (plivajuća veza)• Plašt klipa (skirt)Donja slika• Grebeni između prstenova• Žljebovi za klipne prstenove

Klip u presekuGornja slika (profil)• Glava klipa (gore)• Žljebovi za klipne prstenove i

grebeni (desno)• Kompresiona visina sa žljebom za

širenje gasa u toku takta ekspanzije (levo)

• Otvori za prolaz viška ulja (levo)

Donja slika (presek)• Udubljenja za ventile (gore)• Kanal u klipu za podmazivanje

osovinice klipa pod pritiskom (desno)

• Kanal za ulje za podmazivanje osovinice klipa u ušici kipa (360° - pun krug) (desno)

• Ojačanje klipa oko ušica (dole levo)

• Ušice klipa (dole)

Izrada i materijal klipa• Izrada klipa

– Livenjem u kokili*Termičko naprezanje klipa je najveće u gornjem delu klipa. Ulivaju se umetci i nosači prstena. Umetci su od čelika. Smeštaju se u gornji deo klipa, u zoni ležaja osovinice, tako da smanjuju širenje klipa u pravcu osovinice klipa, u horizontalnoj ravni. (Smanjuju deformacije klipa usled toplotnog širenja klipa.)

– Kovanjem u kalupu** Za opterećene nadpunjene dizel motore, jer kovanje daje bolja mehanička svojstva od livenja. Ćesto presvučeni grafitom za smanjenje trenja.

• MaterijalLegura aluminijuma i silicijuma (silumin), za manje opterećene klipove.Čelik i liveno gvožđe, za više opterećene klipove.

Jednodelni i višedelniKlipovi su najčešće jednodelni.Veliki brodski motori imaju dvodelne klipove sa glavom od čelika i telom od livenog gvožđa. Glava i telo se međusobno spajaju vijcima.

Kroz kanale u klipnjači se može dovoditi ulje za hlađenje čela i/ili glave klipa prskajem ulja spolja – po unutrašnjoj strani klipa. Takođe, čelo klipa može biti sa kanalima kroz unutrašnjost klipa, kroz koje prolazi ulje za hlađenje dovedeno kroz klipnjaču. Ulje se može dovesti iza podmazivanje osovinice klipa u ušici.

Mehanička i toplotna naprezanja klipa

U radu klip trpi dva osnovna mehanička naprezanja i toplotno naprezanje:

• Savijanje glavePod pritiskom gasne sile čelo klipa se savija oko osovinice klipa. Zbog toga je glava klipa masivna.

• Ugibanje plaštaPod pritiskom normalne sile na zid cilindra plašt se ugiba ka osi cilindra. Najveći ugib je na sredini raspona plašta prema osovinici klipa. Na strani normalne sile u taktu ekspanzije ugib je veći nego na strani normalne sile u taktu kompresije, jer je pritisak gasa veći za vreme ekspanzije (gasna sila) nego za vreme kompresije.

• Toplotna dilatacijaUsled grejanja klip se širi. Najviše toplote odlazi u ušice, jer su poprečni preseci ka ušicama i oko njih veći zbog čvrstoće klipa, a zbog većih poprečnih preseka toplota lakše prolazi ka ušicama.

Sva tri uticaja imaju za posledicu da se mere klipa smanjuju u pravcu normalnom na osovinicu klipa, a izdužuje u pravcu osovinice klipa. Klip se ovalizuje – odstupa od cilindričnog oblika u hladnom stanju.

Stoga se oblik klipa pri konstrukciji – izradi ovalizuje tako da u toplom stanju dobije cilindričan oblik: Mere klipa su manje u pravcu osovinice, odnosno u pravcu najvećeg širenja klipa.

Oblik klipa

Oblik klipa u hladnom stanju napravljen je sa težnjom da u radu pod delovanjem mehaničkih i termičkih naprezanja klip dobije oblik najpribližniji cilindričnom.

Glava klipa je prvenstveno konična, potom i ovalna.Čelo klipa je masivno i kruto pa gornja površina nema ovalnost, nego je kružna. Najviše se greje gornja poršina klipa i čelo klipa jer je iznad prostor za sagorevanje. Spuštajući se niz glavu klipa temperature padaju. Stoga je glava klipa konična (zarubljena kupa), a koničnost se širi od glave prema plaštu i ide do plašta. Takodje raste i ovalnost, tako da su naniže mere klipa sve manje u pravcu osovinice nego u pravcu normalnom na osovinicu. (Klip je “spljošten” u pracu osovinice).

Plašt klipa je ovalan i buričast. Ovalnost klipa naglo raste na početku plašta, ispod prstena za razmazivanje ulja i

skidanje viška ulja. Najveća ovalnost je u visini osovinice klipa i malo ispod nje, na mestu gde je normalna sila najveća. Idući dalje niz plašt, temperatura plašta opada, pa se ovalnost smanjuje. Tako klip, osim ovalnosti, dobija i “buričast” oblik.

Najveće približenje cilindričnom obliku klip dobija pri najvećim opterećenjima za koje je motor u radu predviđen. Što su opterećenja motora manja, odstupanje od cilindričnog oblika klipa je veće. Opterećenja motora su promenljiva, što prate deformacije klipa.

Autotermički klipoviIdeja autotermičkih klipova je upravljanje ovalizacijom klipa pri promenljivoj radnoj

temperaturi. Zamisao se zasniva na tome da se spreči toplotno širenje (plašta) klipa u pravcu upravnom na osovinicu klipa, tako što će se usmeriti u pravac osovinice klipa.

Radni zazor upravno na osovinicu klipa – na strani naslanjanja klipa na zid cilindra se time održava u što je moguće užim granicama.

Toplotna dilatacija se upućuje u pravcu osovinice klipa, jer se tamo klip ne naslanja na zid cilindra. Budući da nema pritiska na zid, podmazivanje nije direktno ugroženo.

U primeni su• Prorezi u klipu

Prorezi u obliku slova “П” se postavljaju tako da grade prolaz toplote sa glave klipa prema plaštu i usmeravaju toplotu prema ušicama klipa. Nisu dovoljno efikasni i slabe mehaničku čvrstoću klipa između glave i plašta klipa. (Starija rešenja).

• Uliveni prstenČelični prsten umeće se u klip sa unutrašnje strane klipa kod livenja u visini početka plašta – ispod uljnog prstena i iznad osovinice. Prsten smanjuje ukupno širenje plašta jer čelik ima manji koeficijent širenja od silumina. Pri tom se prsten ne izdužuje po obimu, ali se deformiše po krugu. Prsten se širi u pravcu osovinice klipa, jer se ušice više greju, što povlači skupljanje u pravcu upravnom na osovinicu klipa.

• Uliveni umetci (bimetal) U oblasti ušica klipa postavljaju se metalne pločice kod livenja. Zajedno sa ušicama i masom klipa oko ušica grade bimetal. Kod grejanja klip se oko pločica širi više (silumin), a pločice manje (čelik). Dolazi do savijanja bimetala. Sredina se širi u pravcu osovinice, a krajevi krive tako da smanjuju meru u pracu normalnom na osovinicu. Smanjenje mere bimetalom i termička dilatacija se kompenzuju i klip zadžava meru na površini oslanjanja na cilindar. Zato su efekti održavanja konstantnog zazora plašta i cilindra bimetalom vrlo dobri u celoj oblasti temperatura, od hladnog klipa do klipa na radnoj temperaturi.

Sile koje deluju na klip• Gasna sila

Nastaje usled pritiska gasova i deluje na gornju površinu klipa, u pravcu ose cilindra. Razlaže se na komponentu sile u pravcu klipnjače – sila na klipnjaču, i komponentu upravnu na zid cilindra – normalna sila.

• Inercijalna silaDeluje nasuprot kretanju (ubrzanju) klipa. Centar masa klipa nalazi se u glavi klipa jer čelo klipa ima najveću masu.

• Sila trenja– Otpor trenja u ulju

Između klipa i cilindra (plašta) nalazi se ulje za podmazivanje. Granični slojevi ulja nalaze se na zidu cilindra i plaštu klipu, za koje su zalepljeni adhezijom. Klip se kreće u cilindru i u kretanju povlači svoj granični sloj ulja. Istovremeno, granični sloj ulja zalepljen za cilindar stoji. Dolazi do smicanja slojeva ulja između graničnih slojeva na klipu i cilindru. Pri smicanju u ulju deluju viskozne sile između tankih slojeva ulja u relativnom kretanju jednog sloja u odnosu na drugi sloj ulja i stvaraju otpor trenja nasuprot kretanju klipa.*

– Otpor trenja klipnih prstenova Uljni prsten radi u uslovima mokrog trenja, kombinovani u uslovima polusuvog trenja, a kompresioni u uslovima suvog trenja. Kompresioni prsten daje najveći otpor trenja i stvara i najveće habanje zidova cilindra.

Razlaganje gasne sile vrši se po pravilu paralelograma za vektore u pravcu klipnjače i zida cilindra:

• Sila na klipnjačiKlip prenosi dejstvo gasne sile na osovinicu, odatle na klipnjaču, odakle ide na koleno kolenastog vratila, dajući obrtni moment.

• Normalna silaPritiska klip upravno na zid cilindra. Menja smer (i intenzitet) i premešta klip u cilindru u ravni klipnjače.

Ekscentricitet osovinice klipaNormalna sila i inercijalna sila klipa izazivaju zaokretanje klipa oko osovinice u

cilindru kada klip menja smer kretanja pri prolasku kroz SMT. Normalna i inercijalna sila stvaraju moment koji zaokreće klip u cilindru oko osovinice.

• Delovanje centrično postavljene osovinica klipaDodir sa cilindrom posle SMT ostvaruje prvo donja ivica klipa na strani normalne sile kad ekspanzija počne. Zaokrenut klip u kretanju ka UMT donjom ivicom struže ulje sa zida cilindra. U daljem kretanju ka UMT raste gasna sila, sa njom i normalna sila. Kada se normalna sila poveća u dovoljnoj meri, moment nastao između osovinice i donje ivice klipa, naslonjene na cilindar, premešta ceo klip na stranu normalne sile. Najbrže se prema zidu cilindra kreće gornja ivica klipa, jer je donja ivica naslonjena na zid cilindra niz koji klizi ka UMT. Klip udara o zid cilindra na kome nema ulja i izaziva zvuk: “Zvonjava klipa”. Raste sila trenja, jer nema ulja između zida i cilindra. Povećava se habanje klipa na strani normalne sile.Buka motora je najveća kod hladnog motora, jer su onda zazori između klipa i cilindra najveći, pa je i zaoketanje i premeštanje klipa najveće.

• Delovanje ekscentrično postavljene osovinice klipaPomera se osovinica klipa iz ravni simetrije klipa u smeru normalne sile u taktu ekspanzije. Površinu na koju deluje gasna sila sa jedne i druge strane osovinice postaje nejednaka. Moment sile i kraci koje stvaraju nejednake površine sa jedne i druge strane osovinice pod pritiskom gasa nije više uravnotežen. Pod uticajem razlike momenata gasne sile oko osovinice nastaje rezultujući moment koji zaokreće klip pre dolaska u SMT. Sada donja ivica klipa povlači ulje u kretanju klipa ka SMT. Kada klip prođe SMT i normalna sila u taktu ekspanzije naraste klip se premešta na stranu normalne sile i udara o zid cilindra na kome je sloj ulja. Ulje prima udar klipa i amortizije ga svojim viskoznim silama.

Ekscentricitet kolenastog vratilaPomera se osa kolenastog vratila iz ravni simetrije cilindara u smeru suprotnom od

smera normalne sile u taktu ekspanzije.

Kolenasto vratilo zauzima manji ugao prema vertikali u taktu ekspanzije.

Zbog manjeg ugla prema vetikali smanjuje se• Sila klipnjače • Normalna sila

Time se postiže:• Klipnjača se rasterećuje

Mehaničko naprezanje klipnjače se smanjuje• Trenje klipa (plašta) o zidove cilindra se smanjuje

Smajenjem trenja poboljšava se efikasnost motora jer manje rada odlazi na savladavanje trenja i produžava vek trajanja motora. Snaga motora raste jer se za iste momente povećava broj obrtaja.

Veličina ekscentriciteta kolenastog vratila je obično (10-15) mm.

Klip, klipni prstenovi i cilindar

Delimičan presek, radijalno, preko klipa, klipnih prstenova i cilindra u kretanju klipa ka UMT

Žutom bojom je prikazano kretanje ulja za podmazivanje: Po zidu cilindra, višak ulja iza uljnog klipnog prstena u žljebu odlazi kroz prorez u klipu (piston window) natrag u korito (karter) motora.

Bočni kanal uljnog prstena je na šemi nepopunjen uljem. U stvarnosti on je uvek popunjen uljem, zbog čega i postoji. Višak ulja prolazi kroz radijalne proreze prstena i takođe se vraća kroz klip u korito motora.

Ulje prolazi i iznad uljnog prstena, ka prstenu strugaču. Usled pumpnog dejstva prstenova ulje prolazi i iza kompresionog prstena i odlazi u prostor za sagorevanje.

Ulje na zidove cilindra dospeva prskanjem iz velike pesnice klipnjače, čije se ležište podmazuje pod pritiskom. Velika pesnica vrši kružno kretanje, pa se ulje raznosi u gornje sfere pod uticajem centrifugalne sile.

Klipni prstenovi – funkcija• Zaptivanje

Zatvaraju prolaz gasovima između radnog prostora i kućištaIz radnog prostora u kućište pored klipa u taktovima ekspanzije, kompresije i izduvavanja, kada je pritisak u radnom prostoru veći nego u kućištu, i iz kućišta u radni prostor u taktu usisavanja (kada je manji pritisak u radnom prostoru).

• PodmazivanjeFormiraju ravnomeran sloj ulja za podmazivanjeRazmazuju ulje po zidovima cilindra i omogućavaju podmazivanje između plašta klipa i zida cilindra – smanjuju trenje. Razmazivanje vrše preko bočnog kanala po svom obimu u koji se deponuje ulje pri kretanju klipa.

• Uklanjanje viška ulja Propuštaju višak ulja između plašta klipa i cilindraIz kanala prstena za razmazivanje višak ulja iz cilindra prolazi kroz radijalne proreze u prstenu prema klipu i potom prolazi kroz radijalne proreze u klipu u unutrašnju šupljinu klipa, odakle odlaze u korito motora. (Uljni.)Stružu ulje sa zidova cilindra ispod grebena kompresionog prstenaSprečavaju da ulje ode u radni prostor gde mali deo ipak stiže i sagoreva. (Kombinovani prsten.)

Dodatne funkcije (neke)• Odvođenje toplote sa klipa

Hlade klip sa kojim su u kontaktu i od koga dobijaju toplotu. Deo toplote odlazi kroz prstenove na zid cilindra i kroz zid cilindra na rashladni fluid, a deo toplote odvodi ulje za podmazivanje u kućište, povišavajući temperaturu ulja.

• Stabilizacija klipaUčestvuju u vođenju klipa preko žljebova jer se prstenovi oslanjaju na zidove cilindra koji im određuju položaj.

Klipni prstenovi – vrstePrema funkciji zaptivanja cilindra i podmazivanja klipa i cilindra postoje

prsteni (samo):• Kompresioni• Uljni Ipak, nije moguće lako preći sa funkcije zaptivanja na funkciju

podmazivanja.Stoga, između kompresionog i uljnog prstena se skoro uvek nalazi i prsten koji

ima dve funkcije – kombinovani prsten.

Uljni prsten ne može efikasno razmazivati ulje i istovremeno uklanjati ulje ispod kompresionog prstena. Zato se dodaje kombinovani prsten.

Kompresioni prsten učestvuje u formiranju prostora za sagorevanje pa se greje intenzivno. Zato kontakt ulja sa kompresionim prstenom nije poželjan.

Kombinovani prsten sa gornje strane zaptiva kompresioni prostor zajedno sa kompresionim prstenom, a sa donje strane skida ulje sa zidova cilindra, radi kao strugač ulja. Dvofunkcijski prsten nema proreze na svom telu kao uljni. Umesto toga, njegova gornja površina je ravna i u funkciji zaptivanja gasova, a njegova donja površina je kljunasta u preseku i u funkciji struganja ulja sa zida cilindra. Kljun je okrenut prema kućištu motora, odnosno prema uljnom prstenu koji je ispod kombinovanog prstena. Ulje sa zidova cilinda struže kljun u kretanju klipa prema UMT.

Klipni prstenovi u žljebovima klipa

Klipni prstenovi moraju imati slobodu kretanja u svojim žljebovima.

Ako se prstenovi iz nekog razloga zaglave u žljebovima, oni postaju celina sa klipom. Pritisak klipa na zidove cilindra ne prenosi se tada preko plašta klipa, nego preko klipnih prstenova. Dolazi do intenzivnog trenja između klipnih prstenova i zidova cilindra. Raste mehaničko i termičko naprezanje, usled čega se klipni prstenovi i zidovi cilindra intenzivno habaju.

Kada kombinovani prsten izgubi funkciju zaptivanja ili struganja ulje sa zida cilindra u taktu ekspanzije dolazi u kontakt sa kompresionim prstenom i vrelim gasovima, zbog čega je izloženo degradaciji.

Kompresioni prsten radi praktično u uslovima suvog trenja, pa je habanje cilindra u domenu njegovog kretanja najveće u odnosu na druge klipne prstenove.

Klipni prstenovi u žljebovima klipa

• Bočni zazor

Bočni ili aksijalni zazor omogućava slobodu kretanja prstena u žljebu u pravcu ose cilindra. Aksijalno kretanje prstenova u žljebu je kretanje u pravcu ose prstena, odnosno ose cilindra. Nastaje pri promeni smera kretanja klipa u SMT posle izduvavanja, na prelasku na usisavanje. Prstenovi usled trenja o zidove cilinda i sopstvene inercije, pri kretanju klipa, sa donje bočne površine žljeba klipa prelaze na gornju. U dolasku u UMT, posle usisavanja, a na početku sabijanja, takođe zbog inercije i trenja, prelaze na donju bočnu površinu žljeba klipa.

Prevelik bočni zazor povećava udarnu energiju klipa na klipne prstenove koji stoje na zidovima cilindra pri promeni smera kretanja klipa u SMT/UMT. Klip i prsten se sudaraju pri prelasku prstena sa jedne na drugu bočnu površinu žljeba. Raste habanje bočnih površina klipnih prstenova i bočnih površina žljebova i aksijalni zazor između prstenova i žljebova se povećava. Jaki udari mogu izazvati talasastost bočnih površina žljeba i time trajan gubitak zaptivanja.

Premali bočni zazor smanjuje udarnu energiju klipa na klipne prstenove što slabi efekat istiskivanja ulja iz žljeba. Ako se ulje ne istisne iz žljeba – ne kreće, pod uticajem toplote koju dobija od klipa ulje počinje da se zgušnjava. Kad zgusnuto ulje u žljebu oko prstena otvrdne (koksovanje), prsten gubi sposobnost pomeranja, (zapekne), posle čega nastaje intenzivno habanje prstena i cilindra. Najugroženiji je kompresioni prsten, jer je temperatura klipa oko njega najviša, a hladjenje najslabije.

Klipni prstenovi u žljebovima klipa

• Poprečni zazor

Poprečni ili radijalni zazor omogućava slobodu kretanja prstena u žljebu klipa u pravcu poluprečnika cilindra.

Klipni prstenovi usled sopstvene radijalne elastične sile naležu na zidove cilindra. Klip u kretanju prelazi sa jedne strane cilindra na drugu, pod uticajem normalne sile, jer je normalna sila promenljivog smera (istog pravca). Klipni prstenovi se ne kreću radijalno, jer se oslanjaju na zid cilindra, ali se klip kreće radijalno, jer postoji zazor između klipa i cilindra. Time se ostvaruje relativno kretanje prstenova u žljebovima u odnosu na klip u radijalnom – poprečnom pravcu.

Premali poprečni zazor može dovesti klip prilikom termičkog širenja u neposredan kontakt sa prstenom. (Dno žljeba klipa i unutrašnja strana prstena). Rezultat je radijalni pritisak klipa na prsten i time prstena na zid cilindra. Prsten se i izvija na mestu kontakta i bočna površina žljeba prestaje da ga vodi. Nastaje intenzivno habanje prstena.

Klipni prstenovi u žljebovima klipaI bočni i poprečni zazor sa porastom povećavaju pumpno dejstvo klipnih prstenova

jer rastu protočni preseci kroz žljeb klipa. Time raste količina ulja koja dolazi u prostor za sagorevanje motora i sagoreva u procesu sagorevanja.

Ranije je ideja bila da prstenovi treba što više da pritiskaju cilindar da bi se sigurno ostvarilo dobro zaptivanje. Međutim, to povećava trenje i habanje.

Sada je ideja da prstenovi imaju što manji pritisak na zidove cilindra u cilju smanjenja trenja, a da pri tom zadrže funkciju zaptivanja i/ili podmazivanja. Smanjenje trenja povećava snagu motora (motor lakše dostiže više brojeve obrtaja) i štedi gorivo uz istovremeno smanjenje habanja prstenova i zida cilindra. Produžava se vek trajanja motora.

Zbog koncepcije smanjenja ternja i time smanjene elastične radijalne sile prstenova potrebno je da cilindri budu tačnog kružnog poprečnog preseka, inače će zaptivanje prstenova izostati, a uparivanje prstenova i zida cilindra u razradi trajati dugo. Radijalna elastična sila prstenova mora biti tačno određena, jer je na granici zaptivanja.

Deformacije bloka prilikom obrade cilindara i kod sklapanja sa glavom motora utiču na odstupanje cilindara od kružog poprečnog preseka. Da bi se deformacije sprečile, povećava se krutost bloka u toku obrade cilindara tako što se cilindri obrađuju sa krutom pločom sa otvorima, postavljenom na mestu glave motora. Ploča se priteže za blok na meru pritezanja glave.

Povećana krutost bloka pri obradi odgovara najpribližnije radnim uslovima, kad je na blok postavljena i pritegnuta glava motora. Deformacije bloka, koje izaziva glava pri montaži su minimizirane, a poprečni preseci cilindra najpribližniji kružnom preseku (najmanja ovalnost i koničnost cilindra ).

Klipni prstenovi i zaptivanjeNe postoje klipni prstenovi koji mogu potpuno da spreče prolaz gasova iz prostora

za sagorevanje u kućište i obratno. Razlog je jednostavan: Klipni prstenovi moraju imati slobodu kretanja u žljebovima da ne bi zapekli. Čim postoje zazori između klipa i prstenova mora postojati i propuštanje gasova. Prema tome:

Postoji samo mera do koje je zaptivenost dobra. Loša zaptivenost daje sledeće efekte:

• Gubitak snage motoraGubitak pritiska i u ekspanziji i u kompresiji daje manje rada u pV dijagramu.

• Povećana potrošnja uljaVeći pumpni rad i usisavanje ulja u prostor za sagorevanje

• Pogoršanje kvaliteta uljaVreli gasovi produkata sagorevanja prolaze u kućište i termički deluje na ulje. Gorivo iz smeše iz prostora za sagorevanje prolazi u kućište i menja sastav ulja. Ulje gubi na svojstvima podmazivanja i na viskozitetu (razređuje se). Lošije podmazivanje povećava trenje i smanjuje vek trajanja motora.

• Lošiji sastav izduvnih gasovaPreviše ulja upumpanog klipnim prstenovima u prostor za sagorevanje pogoršava emisiju. Sagorelo ulje nepovoljno deluje i na katalitičke konvertore.

• Povećana količina gasova u kućištuKroz odušak za ventilaciju kućišta motora povećava se protok (positive crankcase ventilation (PCV) ). Uljne pare i suspenzija ulja iz oduška kućišta se ne vode u atmosferu, već se recirkulišu u usisisni sistem* uz maksimalnu separaciju suspenzije i vraćanje suspendovanog ulja u kućište.

Klipni prstenovi i produvavanjeMerenje produvavanja (blow-by)• Protokomerom

Merenjem protekle zapremine gasova u vremenu koja iz prostora za sagorevanje pored klipnih prstenova prolazi u kućište*. Merenje se može vršiti u celom opsegu brzina motora. Vrši se za grupu cilindara, odnosno ceo motor. Ne može se utvrditi produvavanje pojedinog cilindra jer je odušak na zajedničkom kućištu motora.Na većim brojevima obrtaja zaptivanje je bolje, odnosno produvavanje je manje. Vreme za produvavanje je kraće, a inercijalne sile prstenova i pritisci gasa pojačavaju silu kojom se klipni prstenovi naslanjanju na bočne površine žljebova. Može se utvrditi da li klipni prstenovi “lepršaju” u žljebovima: Ukoliko u nekom opsegu produvavanje poraste, onda klipni prstenovi u tom opsegu brzina ne naležu dobro na donju bočnu povšinu žljeba.Protokomerom se ekperimentalno tačno može utvrditi najbolji položaj – orijentacija krajeva klipnih prstenova sa i bez proreza, veličina i međusoban odnos proreza pojedinih prstenova i način završne obrade cilindra (honovanje) za minimalno produvavanje.

• Manometrom; Protokomerom [%] (lab.v.)Merenjem vremena u kom pada pritisak u cilindru. Statički metod: Pritisak ne sme da opadne sa polazne na minimalnu zadatu vrednost za zadato maksimalno vreme pritisak.** Klip cilindra se postavi u SMT gde su konstruktivni zazori najveći i ishabanost najveća, sa zatvorenim ventilima (cilindar na paljenju), a uređaj priključi u otvor svećice. Pritisak vazduha se ostvaruje spolja (kompresor).Vazduh koji izlazi može se čuti u usisinoj grani (curenje na usisnom ventilu), izduvnoj grani (curenje na izduvnom ventilu) i/ili u kućištu motora, odnosno odušku – curenje pored prstenova. Merenje se vrši za svaki cilindar, (obično redosledom paljenja) i otuda se može utvrditi stanje svakog pojedinog cilindra. Ako je glava skinuta, isključuju se ventili, čime se merenje izoluje na propuštanje klipnih prstenova.

“Produvavanje” – propuštanje gasova pod pritiskom pored klipnih prstenova

Crvena linija prikazuje prolaz gasova u taktu ekspanzije – produvavanje pored klipnih prstenova.

Do produvavanja dolazi usled neravnomernog naleganja klipnih prstenova na zidove cilindra (ovalnost cilindra, prstenova ili i cilindra i prstenova).

Uzroci ovalnosti: Obrada cilindara, prstenova, habanje cilindra i prstenova.Ipak, najznačajniji gubitak pritiska je kroz prolaz između krajeva klipnih prstenova (oko

80% od ukupnog gubitka). Zato je potebno da između krajeva klipnih prstenova radni zazor bude što manji. Međutim, ne sme se dopustiti da radni zazor ne postoji, jer će se termičkim naprezanjem krajevi prstena međusobno pritisnuti i u težnji da se dalje šire, povećati radijalni pritisak na zidove cilindra. Prsten se deformiše, a trenje raste. (Sl.221)

Merni uređaji za “produvavanje” i “curenje”

Protokomer za merenje protoka izduvnih gasova (levo) i

manometar za merenje zaptivenosti (desno)

Klipni prstenovi i prorez/peklop na krajevima klipnih prstenova

• Prorez ili preklop na krajevima klipnih prstenova Mora da postoji da bi klipni prstenovi mogli da se šire usled zagrevanja. Potrebno je da prorez bude što manji, jer na njegovom mestu ne postoji zaptivenost radnog prostora. Gasovi prolaze kroz prorez. Prsten sa preklopom takođe ima krajeve prstena na preklopu.Veličina proreza/preklopa treba da je takva da ni pri najvećim termičkom naprezanjima motora, uključujuči i pregrevanje, ne dođe do kontakta krajeva prstenova. Ako do kontakta dođe, daljim termičkim širenjem krajevi prstena se odupiru jedan o drugi, prsten povećava pritisak na zidove cilindra i izvija se u žljebu. Trenje o zid cilindra raste i gubi se sloboda prstena u žljebu. Prsten i cilindar se habaju više, ulje se ne istiskuje iz žljeba i sledi blokada prstena (prsten zapekne).Kod prstena sa preklopom (gapless) postoji veća sloboda u razmaku krajeva prstena.

• Oblik prorezaStrane proreza treba da budu u ravni koja prolazi kroz osu prstena, a ako su zakošene, onda međusobno moraju biti paralene. Geometrijski, sastavljeni krajevi prstena moraju imati kontinuitet kao da proreza nema. Takav uslov omogućava najmanji zazor, odnosno najveće približenje krajeva klipnih prstenova.

Krajeve prstenova treba obrađivati mašinski ako je potrebno naknadno podešavanje zazora krajeva prstena. Ručna obrada ne može dati zahtevanu geometriju krajeva prstena, odnosno proreza.

Klipni prsten “bez proreza”

Klipni prsten “bez proreza”

Način zaptivanja proreza: Gas pod pritiskom prolazi iznad vođice i između krajeva prstena u žljeb klipa. Pritisak gasa na prsten sa zadnje vertikalne strane radijalno pritiska prsten na cilindar. Istovremeno prsten pritiska vođicu na zid cilindra i vođica sprečava prodor gasova kroz prorez prema kućištu.

Propuštanje gasova zavisi od veličine pritiska u cilindru i sa porastom pritiska raste propuštanje kod klasičnog prstena.

Kod prstena sa preklopom porast pritiska sa porastom opterećenja motora daće i porast radijalnog pritiska prstena i vođice i obrnuto. To znači da se prstenovi sa preklopom mogu izrađivati sa manjim sopstvenim radijalnim silama pritiska jer imaju regulisanu promenu pritiska na zid cilindra sa promenom opterećenja motora. Promenljiv radijalni pritisak smanjuje trenje u proseku i time produžava vek trajanja motora. (Konstantan radijalni pitisak kod prstena sa prorezom mora biti takav da ostvari dobro zaptivanje pri punom opterećenju, pa je pri delimičnim opterećenjima veći nego što treba, sa njim i trenje.)

Sa habanjem “klasičnog” prstena sa prorezom veličina proreza raste, a sa njim i produvavanje.Kod preklapanja proreza kao na slici, put gasu ostaje zatvoren i kod istrošenja prstena, jer se

bez obzira na razmicanje krajeva prstena vođica uvek zatvara prolaz gasu.*Prorez na krajevima prstena je glavni uzrok produvavanja.

Klipni prstenovi i međusobni odnos veličine proreza

Međusobna veličina proreza prvog prstena (kompresioni) i drugog prstena (kombinovani) mora da bude usklađena sa propusnošću izduvnih gasova.

U taktu ekspanzije i taktu kompresije potrebno je da kompresioni prsten leži na donjoj bočnoj strani žljeba, kako bi se ostvarilo dobro zaptivanje radnog prostora.

Ovaj uslov će biti ispunjen ako pritisak ispod kompresionog prstena nije toliki da, sabran sa inercijalnom silom prstena i silom trenja prstena o zid cilindra, izazove odizanje prstena sa donje bočne površine žljeba.

Ideja o što manjem prorezu na krajevima svakog prstena, kako bi se što više poboljšalo zaptivanje je ustupila mesto drugoj ideji:

Prorez na kombinovanom prstenu treba da ima takvu propusnost gasa da onemogući povećanje pritiska ispod kompresionog prstena do mere odizanja kompresionog prstena sa donje bočne površine žljeba klipa.

Dovoljna propusnost gasova kroz prorez kombinovanog prstena ostvaruje se većim relativnim zazorom njegovih krajeva u odnosu na zazor između krajeva kompresionog prstena.

Red veličine smanjenja pritiska: Ispod prvog klipnog prstena (kompresioni) pritisak je 25% od pritiska u prostoru sagorevanja, ispod drugog 10%, ispod trećeg 2-3%.

Merenje proreza i dorada krajeva prstena za ostvarenje potrebne veličine proreza*

Postavljanje klipnog prstena u žljeb klipa*

Polazni oblik i materijal za isecanje klipnih prstenova

Klipni prstenovi i orijentacija krajeva prstenova u klipu

Faktori koji određuju orijentaciju klipnih prstenova

• Zaptivanje radnog prostora nepotpuno je već po definiciji Nema idealnog zaptivanja: Klipni prstenovi nužno moraju biti slobodni u žljebovima, pa će uvek biti propuštanja gasa i gubitaka pritiska između radnog prostora cilindra i kućišta motora (u oba smera u zavisnosti od takta koji se odvija).

• Najbolje zaptivanje treba da bude u taktu ekspanzije, jer je to radni takt, pritisci u njemu najveći, time i gubici prtiska. Klip pritiska normalna sila na površinu cilindra u taktu ekspanzije i kompresije.

• Put gasa između prstenova koji prolazi kroz prorez jednog klipnog prstena oko grebena do proreza drugog klipnog prstena treba da je najduži.

• Geometrija klipa je takva da je zazor najveći u blizini krajeva osovinice klipa, a najmanji u pravcu normalne sile – upravno na osovinicu klipa.

• Vodeća površina klipa je na strani normalne sile.• Krajevi prstenova čine diskontinuitet (prekid prstena) pa je habanje po izvodnici

cilindra između krajeva prstena i u blizini krajeva prstena neravnomerno. Krajevi prstena vrše veći radijalan pritisak na zid cilindra od pritiska sredine prstena. I klipni prstenovi “bez proreza” imaju svoje krajeve, pa to važi i za njih, iako u manjoj meri.

• Klipni prstenovi drže upravnost prema osi cilindra, ne prema osi klipa. Habanje žljeba klipa je veće i neravnomernije između i oko krajeva prstenova. Klip se premešta sa jedne strane cilindra na drugu pod dejstvom normalne sile, dok se prstenovi oslanjaju na zid cilindra i taru o žljeb klipa. Klip se i zaokreće u SMT/UMT usled inercije, trenja i normalne sile. Najveće put pri zaokretanju je na pravcu upravno na osovinicu klipa, na sredini raspona osovinice, jer je tu poluprečnik rotacije najveći, a najmanji u blizini krajeva osovinice, oko koje se klip okreće.

Klipni prstenovi i orijentacija krajeva prstenova u klipu• Orijentacija krajeva/proreza kompresionog prstena

Kompresioni prsten ima prvenstvo u orijentaciji proreza u odnosu na ostale prstenove, jer zaptivanje kompresionog prostora, posebno u radnom taktu, ima prednost. Tada su pritisci u cilindru najveći, tim i razlika pritisaka u odnosu na okolinu, posledično i najveći gubici pritiska (rada).Zatvaranje proreza telom klipa treba da bude najveće u taktu ekspanzijeBiće najveće ako se prorez stavi na stranu normalne sile u taktu ekspanzije, gde klip naleže. Pri tom važi: Prorez se ne postavlja u visini sredine osovinice klipa, jerHabanje cilindra je neravnomerno između krajeva prstena i u blizini krajeva prstena, zbog proreza prstena i neravnomernosti sila radijalnog pritiska oko krajeva prstena. Po izvodnicama zida cilindra nastalo bi ispupčenje između krajeva prstena i udubljenje oko krajeva prstena. Upravo po ovim izvodnicama se kreće plašt klipa, pa bi specifičan (jediničan) pritisak na mestu ispupčenenja cilindra bio veći sa opasnošću od kidanja filma ulja za podmazivanje. Habanje žljeba klipa krajevima prstena bilo bi takođe najveće. Poluprečnik zaokretanja klipa je najveći kod premeštanja klipa sa jedne na drugu stranu cilindra.Klipni prstenovi učestvuju u stabilizaciji klipa i vođenju klipa, jer se oslanjaju na cilindar, pa je potreban kontinuitet na mestu najvećeg zaokretanja klipa.Prorez se ne postavlja pored kraja osovinice klipa, jerRadni zazor između klipa i cilindra je najveći i kod hladnog klipa i kod klipa zagrejanog na radnu temperaturu na krajevima osovinice, zbog ovalnosti klipa. Zatvaranje proreza telom klipa bilo bi najmanje. Najmanji zazor se u pravcu osovinice klipa postiže tek pri maksimalnoj radnoj temperaturi, ali je i tada veći nego na strani naleganja klipa – u pravcu normalne sile, (rezerva zazora za pregrevanje motora) gde klip naleže u taktu ekspanzije.

Izvodnice cilindra u pravcu normalne sile su linije po kojima plašt klizi i vodi klip u cilindru.

Ispod kompresionog prstena je pritisak oko 25% od pritiska u kompresionom prostoru u taktu ekspanzije.

Klipni prstenovi i orijentacija krajeva prstenova u klipu

Prema tome:

Prorez kompresionog prstena treba orijentistati tako da je:

• Na strani normalne sile taktu ekspanzije:Zasenčenje proreza prstena naleganjem tela klipa je najveće.

• Dalje od vodeće površine klipa:Plašt klipa ne sme imati povećan specifičan pritisak po izvodnici koja pripada prorezu.

• Dalje od kraja osovinice klipa: Zatvaranje proreza telom klipa je najmanje kod krajeva osovinice klipa.

Prethodni uslovi definišu ugao manji od 90 stepeni, simetrično postavljen između pravca/smera normalne sile u taktu ekspanzije i ose osovinice klipa. Tačno mesto krajeva prstena je na izvodnici cilindra na kojoj zbog ovalnosti klipa počinje da se udaljava plašt klipa od zida cilindra. Ovo računato za puno opterećenje motora.

Sa ovako orijentisanim krajevima prstena plašt klipa ne klizi po neravnini, a telo klipa maksimalno zatvara (zaklanja, u pogledu iz kompresionog prostora) prorez prstena.

Brojčano, to je (15-45)° ugla mereno od kraja osovinice klipa, na strani normalne sile u taktu ekspanzije. Svejedno je prema kom kraju osovinice klipa se prorez postavlja, na strani zamajca ili na strani razvoda. Koliko tačno u datom intervalu od 30 stepeni zavisi od konstrukcije i termičkog širenja klipa prema cilindričnom obliku, o čemu tačne podatke može dati samo proizvođač klipa.

Klipni prstenovi i orijentacija proreza u klipu*

• Orijentacija krajeva/proreza kombinovanog prstena

Kombinovani prsten se orijentiše po istom principu kao i kompresioni prsten, s tim da Prorez ima najveće zatvaranje telom klipa na strani normalne sile u taktu kompresije. Kombinovani prsten će tako ostvariti najbolje zaptivanje u taktu kompresije. Od dva moguća položaja u odnosu na osovinicu prorez se postavlja zaokrenut 180 stepeni po krugu u odnosu na kompresioni prsten (“suprotna strana”), jer Put gasa koji prođe kroz prorez kompresionog prstena do proreza kombinovanog prstena biće najdužiInercijalne sile prstenova, kompresionog i kombinovanog, biće najbolje uravnotežene.

Ispod kombinovanog prstena pritisak je oko 10% od pritiska u kompresionom prostoru.

• Orijentacija krajeva/proreza uljnog prstena

Uljni prsten se orijentiše tako da jeProrez uljnog prstena na strani suprotnoj od smera normalne sile u taktu ekspanzije.Podmazivanje između klipa i cilindra treba da je ravnomerno na strani normalne sile u taktu ekspanzije. Tada su pritisci plašta klipa na zid cilindra najveći u odnosu na ostale taktove. Vertikalna uljna pruga, nastala između krajeva prstena, odlazi na suprotnu stranu od normalne sile. Prorez uljnog prstena se postavlja prema drugom kraju osovinice u odnosu na prorez kombinovanog prstena, sa kojim je na istoj strani.

Ispod uljnog prstena je pritisak 2-3% od pritiska u kompresionom prostoru.

Pumpno dejstvo klipnih prstenova na ulje za podmazivanje

U kretanju klipa u taktu usisavanja klipni prstenovi pod uticajem razlike pritisaka (u kućištu je veći nego u radnom prostoru), trenja i inercijalnih sila leže na gornjoj bočnoj površini žljeba. Ulje ispod prstena zbog kretanja klipa ulazi u žljeb. Pri prelasku na sabijanje prstenovi silaze na donju bočnu površinu, na kojoj leže. (Iz istih razloga). (Pritisak je sad veći u radnom prostoru nego u kućištu). Prelaskom na donju bočnu površinu prstenovi potiskuju ulje radijalno ka dnu žljeba (vertikalna površina) i odatle aksijalno ka gornjoj površini žljeba – iznad sebe i ponovo radijalno ka zidu cilindra. Postupak se ponavlja sa svakim usisavanjem i sabijanjem pa se ulje kreće kroz žljebove, potom između grebena klipa i cilindra, potiskivano uljem iz žljeba ka prstenovima bližim radnom prostoru. Svaki prsten “pumpa” ulje prema radnom prostoru. Na kraju ulje ulazi u radni prostor i sagoreva u procesu sagorevanja.

Ako su zazori između žljebova u klipu i prstena dobri, i prstenovi u njima slobodni, potrošnja ulja je minimalna, jer su protočni preseci za pumpno dejstvo najmanji. Kod ishabanih prstenova i cilindara protočni preseci za pumpno dejstvo su povećani. Količina ulja koje dospeva u radni prostor toliko poraste da iz izduvnog sitema izlazi plavi dim, nastao sagorevanjem ulja u procesu sagorevanja. Ipak, i za ispravne zazore između prstenova i žljebova klipa važi:

Motor uvek mora da troši neku količinu ulja usled pumpnog dejstva klipnih prstenova, čak i onda kada je u najboljem stanju.

Profil prstenova• Kompresioni

Najčešće je pravougaonog poprečnog preseka. Naziva se i minutni, jer površina kojom se oslanja na cilindar gradi vrlo mali ugao, reda veličine minuta kao dela stepena.Ivica sa oštrim uglom okreće se prema kompresionom prostoru. U suprotnom, sile pritiska gasa težiće da sabiju prsten prema žljebu, što vodi lošijem zaptivanju.Prsten nosi oznaku za orijentaciju u aksijalnom smeru (“top” - gore) kod ugradnje, jer je minutni ugao premali da bi se primetio golim okom. Nagibom spoljne površine prstena se smanjuje početna kontaktna površina prstena sa cilindrom, pa je specifični radijalni pritisak prstena na zid cilindra veći. Time se ubrzava početno habanje prstena, čime se skraćuje vreme uhodavanja prstena i cilindra. U razradi motora usled habanja prstena raste površina kontakta prstena i cilindra, specifični radijalni pritisak se smanjuje, a njime i habanje prstena i cilindra kad se motor razradi. Može biti i trapeznog poprečnog preseka, što je bolje (ali i skuplje za izradu prstena i poskupljuje izradu klipa). Trapezni prsten bolje istiskuje ulje iz žljeba, (zbog rasporeda sila), pa se mogu usvojiti manji zazori između klipa i prstena i smanjiti pumpno dejstvo prstena na ulje. Takođe imaju i delimičnu regulaciju radijalnog pritiska na zidove cilindra. (Manja osnovica trapeza je u žljebu klipa.)

• Kombinovani Poprečni presek ima “kljun” – oštru ivicu.Kljun je okrenut ka kućištu motora i u funkciji je struganja – skidanja ulja sa zidova cilindra u taktovima širenja i usisavanja. Ravna strana okrenuta je prema kompresionom prostoru i u funkciji je zaptivanja. Veličina kljuna prstena je tolika da je potpuno vidljiv golim okom, pa se sa sigurnošću i bez oznake može prsten ispravno orijentisati kod ugradnje u žljeb klipa, iako i on najčešće nosi oznaku “top”.

Profil prstenova• Uljni

Ima središni kanal po obimu za deponovanje ulja za razmazivanje i proreze kroz telo za odvođenje viška ulja. Zbog kanala i proreza prsten ima razuđenu konfiguraciju sa malom površinom na poprečnom preseku – na punom materijalu. Zato samo svojim telom ne može ostvariti dovoljnu radijalnu pritisnu silu. Stoga ima dodatnu prstenastu oprugu (“ekspander”) za pojačanje radijalnog pritiska prstena na zid cilindra.To ga čini dvodelnim, a opruga se smešta u prsten, tako da se nalazi između prstena i žljeba klipa.

Postoje i trodelni i četvorodelni prstenovi.

Trodelni prsten ima dva jednaka dela, slična kompresionom prstenu i srednji deo sa prorezima, koji se u sklopu nalazi između druga dva dela. Srednji deo se pravi masivnije, pa može ostvariti dovoljan radijalni pritisak bez opruge. Četvorodelni ima prsten sa prorezima za prolaz ulja dva prstena za formiranje kanala za ulje i opruga (ekspander) kao četvrti deo, koji povećava radijalni pritisak dela prstena sa prorezima.

Povećanje broja delova uljnog prstena otežava montažu i ubacivanje klipa u cilindar.

Materijal i izrada klipnih prstenova

• Materijal

Sivi liv, legirani Velike tvrdoće, otporan na habanje.Mikrostruktura sivog liva ima oštra četvrtasta zrnca. Zato je prsten lako lomljiv kod savijanja. Može se slomiti i pri jakom ili neprekidnom detonativnom sagorevanju.Na površinu kompresionog prstena se nanosi tanak sloj od hroma ili molibdena (pesvlaka) u cilju povećanja otornosti na habanje. Kombinovni prsten je bez presvlake.

Nodularni liv (sferoliv, ductil), Dvostruko boljih mehaničkih osobina od sivog liva.Ima mikrostrukturu sa okruglim zrncima (nodule), zbog čega se ne lomi.Skuplji i teži za obradu od livenog gvožđa i tvrđi od cilindra, odnosno bloka od sivog liva. Cilindri se moraju otvrdnuti presvlakom od hroma ili molibdena da bi mogli funkcionisati sa ovim prstenovima.

ČelikDvostruko boljih mehaničkih osobina od nodularnog liva.Zbog toga čelik omogućava smanjenje dimenzija prstena. Zbog manjih dimenzija poprečnog preseka su elastičniji pa se lakše prilagođavaju obliku cilindra. Jeftiniji je za izradu od livenih prstenova. Cilindri moraju biti otvrdnuti presvlakom od hroma, molibdena ili nitrirani.

Materijal i izrada klipnih prstenova

• Izrada Gvozdeni klipni prstenovi se prave livenjem i struganjem (strug), posle čega se prosecaju krajevi. U otvorenom stanju veći su od prečnika cilindra, što im daje elastične sile za radijalan pritisak na zidove cilindra. Krajevi prstenova se ovaliziraju zbog povećanja radijalne sile prstena.Čelični klipni prstenovi se izrađuju namotavanjem slično izradi opruge.Svakako moguća je i izrada na CNC mašinama.

Nitriranje je proces obogaćena površine metala azotom pri visokoj temperaturi u cilju otvrdnjavanja površine i postizanja veće otpornosti na habanje.

Za najveća opterećenja dizel motora primenjivana je i kombinacija molibdena i keramike "Moly Cermet“ – molibdenska keramika – metal (80% moly/20% chromium carbide ceramic). Presvlaka je nanošena plazma postupkom, vrlo je tvrda i otporna na habanje. (Volvo, motori teških kamiona).Nedostatak: Loše provođeje toplote keramike (izolator), visoke temperature sagorevanja usled nedovoljnog hlađenja “keramičkog” klipa preko “keramičkih” klipnih prstenova.

Sile koje deluju na klipne prstenove

Na klipne prstenove deluju sile nastale pod sledećim uticajima:

• Pritisak gasa• Trenje• Inercija• Radijalna elastičnost

Elastične sile deluju radijalno na prsten, pritiskajući ga na zid cilindra. Elastične sile treba ravnomerno da deluju po celom obimu prstena.

Tokom vremena, ipak, elastične sile slabe na krajevima prstena. Razlog tome je što se toplotom gasova greju i površine proreza na krajevima prstena, kroz koje prolaze vreli gasovi u toku ekspanzije. Materijal prstena se neželjeno otpušta* i elastične sile slabe. Stoga, krajevi klipnih prstenova malo se otvaraju prema povećanju prečnika. Otvoreni krajevi klipnog prstena se intenzivnije habaju (kao i cilindar na njihovom mestu), ali se radijalna sila po celom obimu prstena duže održava konstantnom.

Veće lokalno habanje cilindra u zoni krajeva prstenova na dužini hoda klipa utiče na sprečavanje okretanja klipnih prstenova oko ose cilindra, kada dostigne dovoljnu meru.

Radijalni pritisci prstenova i oblici prstenovaOtvaranje krajeva prstenova

Levo: Pritisci (crveno) koje ostvaruju jabučast (gore) i kruškast (dole) oblik prstena na zid cilindra (plavo). Desno: Jabučast (gore) i kruškast (dole) oblik prstena

Osovinica klipaOcovinica klipa vezuje klip sa klipnjačom.

Veza može biti pokretna i u klipu i u klipnjači (“plivajuća”), ili samo u klipu, a u klipnjači je presovan sklop.Zazor je mali, oko 5 µm (“pola stote”) kod plivajuće, a 15 µm (“jedna-i-po stota”), u ušicama klipa kod presovanog sklopa.Zazori kliznog sklopa su tako određeni da se osovinica bez alata ubacuje u malu pesnicu, a okrenuta osom prema zemlji ne ispada iz sklopa sa klipom pod uticajem sile sopstvene težine.

Kod plivajuće osovinice postoji klizni ležaj u maloj pesnici, a osovinica se obezbeđuje uskočnim prstenovima od aksijalnog pomeranja/ispadanja.

Plivajući sklop je bolji, jer je manja mogućnošću zaribavanja (može da se okreće i u ležištu klipnjače i u ušicama klipa) i većom nosivošću u odnosu na presovan sklop, koji mora imati povećane zazore zbog manje slobode u sklopu sa klipom.

Osovinica je šuplja cilindrično, a za veća opterećenja ima koničnu šupljinu, što je daje veću nosivost, ali je skuplje. Vrlo je glatka (N5 kvalitet obrade površine).

Materijal je cementiran čelik* velike tvrdoće i čvrstoće, sposoban da dobro podnosi naizmenično promenljiva udarna opterećenja.

Klipnjača

Osa male “pesnice” vrši pravolinijsko naizmenič. kretanje, zajedno sa osom osovinice klipa, sa kojom se podudara.

Osa velike “pesnice” vrši kružno kretanje, zajedno sa osom rukavca kolena kolenastog vratila, sa kojom se podudara.

Sve tačke klipnjače između ose velike i male pesnice vrše složeno – ravno kretanje (kretanje u ravni), koje se sastoji iz pravolinijskog i kružnog kretanja.

Klipnjača pretvara pravolinijsko naizmenično kretanje klipa u obrtno kretanje kolenastog vratila.

Na slici je prikazana klipnjača sa ravnim presekom velike pesnice – presekom kod kog je ravan preseka klipnjače upravna na osu simetrije klipnjače.

Klipnjača se sastoji od tela i poklopca. Poklopac se za klipnjaču vezuje vijcima, koji se pritežu na zadatu meru. Vijci ujedno (najčešće) služe i kao element za centriranje poklopca i klipnjače.

Otvor velike pesnice, na čiju se površinu (“gnezdo”) postavlja klizni ležaj, obrađuje se u sklopu sa poklopcem. Ako nema asimetrije, koja obezbeđuje jednoznačno sklapanje poklopca sa klipnjačom, postavljaju se oznake za montažu na telo klipnjače i poklopac.

Klipnjača

Konstrukcija velike pesnice iz dva dela omogućava primenu jednodelnog kolenastog vratila.

Telo klipnjače se, u sklopu sa klipom i klipnim prstenovima na klipu i osovinicom klipa ubacuje u cilindar. Zatim se poklopcem klipnjače sklapa sa kolenom kolenastog vratila.

Ako su konstrutivne (gabaritne) mere velike pesnice veće od prečnika cilindra, ravan preseka velike pesnice se zakošava u odnosu na osu klipnjače, da bi klipnjača mogla da prođe kroz cilindar. Zakošavanjem ravni preseka nastaju bočne sile u velikoj pesnici, pa se na sastav poklopca i tela klipnjače postavljaju zupci. Zupci primaju bočne sile i time rasterećuju vijke od naprezanja na smicanje. Ujedno služe i kao element za centriranje.

Mala pesnica je jednodelna, i, ako je veza sa klipom plivajuća, u malu pesnicu se presovanjem ubacuje klizno ležište.

Kolenasto vratilo

• Funkcija

Prima sile od pojedinih klipnjača na rukavcima velikih pesnica (leteći), preko kolena daje dinamički moment oko svoje ose okretanja. Mehanička energija se dobija na zamajcu, a sa zamajca se predaje potrošaču.Radilica se na blok motora (gornje kuć.) oslanja preko ležećih rukavaca, a sa suprotne strane od letećih rukavaca ima protivtegove za uravnoteženje inercijalnih sila i momenata kod obrtanja.Dvodelna ležišta letećih i ležećih rukavaca se podmazuju uljem pod pritiskom. Samo ležeći rukavac do zamajca, ili samo srednji, (jedan od njih) ima aksijalna ležišta, svi ostali imaju samo radijalna.

Prema smeru isporuke energije, strana suprotna od zamajca se uzima kao prednja, i od nje se broje cilindri. Na prednjoj strani su elementi razvoda i pogona pomoćnih uređjaja (alternator, pumpa za ulje, pumpa za rashladnu tečnost*, kompresor klima ur.) i po potrebi prigušivač torzionih oscilacija. Nazubljeni prsten (60-2 zupca) davača brzine motora i položaja radilice može biti postavljen direktno na neki kraj radilice, ili na zupčasti remen/lančanik razvoda, ili na zamajac.

Kolenasto vratilo

• Izrada i materijal

Radilice se izrađuju livenjem, kovanjem, a u novije vreme i rezanjem iz kružnog profila.Livene radilice se rade od nodularnog liva (sferoliv). Imaju dobru otpornost na koncentraciju napona, dobru otpornost na habanje i malu osetljivost na torzione oscilacije. Nedostatak, manja zatezna čvrstoća i otpornost na savijanje, zbog čega su srazmerno masivnije. Prednost je što su najjeftinije.Kovane radilice se rade od čelika za poboljšanje i legiraju za veća opterećenja (Cr,Mo; Cr,Ni). Imaju veliku čvrstoću (na savijanje), ali povećanu osetljivost na koncentraciju napona zbog presecanja toka vlakana mašinskom obradom rukavaca. Pogodne su za induktivno površinsko kaljenje, posle čega se dobija tvrda površina sa žilavim* jezgrom. Bolje od livenih, ali skuplje.Rezane radilice se rade iz jednog valjkastog komada (monolitni “rolat”) na CNC mašinama. Preciznost u izradi na CNC mašini je posebna odlika. Čvrstoća je velika, a mikrostruktura očuvana, pa je osetljivost na koncentraciju napona smanjena.Dobre mehaničke osobine su dokazane u takmičarskim uslovima. Materijal Č 4370. Najbolja, ali i najskuplja varijanta, zbog velikog otpada materijala i vremena izrade i skupe izrade na CNC mašini.

(Kod livenja je mikrostruktura amorfna.Kod kovanja je tok vlakana usmeren, ali se prelama na kolenima što stvara koncentraciju napona. Dodatno naprezanje je kod uvijanja pri kovanju, ako kolena nisu u istoj ravni, a treba da budu).

Radilica(dobijena postupkom livenja)

Radilica(dobijena postupkom rezanja)

V8 radilica(kolena u jednoj ravni, dve klipnjače na istom rukavcu)

Bregasto vratilo (osovina)

Blok motora(cilidarski blok)

Blokovi od livenog gvožđa mogu se, po isteku veka trajanja motora, obrađivanjem vratiti u funkciju. Blokovi od lakih metala* imaju manju masu, ali su namenjeni jednokratnoj upotrebi. Cilindri se presvlače plazma postupkom tvrđim metalima.

Cilindri se izrađuju direktno u bloku, (dobra krutost, ali skuplje) ili se izrađuju cilindarske košuljice, koje se ubacuju u blok (jeftinije, jer se samo košuljice izrađuju od skupljeg materijala, ali komplikovanije za rad).

Cilindarske košuljice mogu biti• Suve

Ubacuju se u blok presovanjem (teže) i obrađuju na datu meru. Hlade se tečnošću preko bloka, kada motor radi.

• MokreJednostavno se ubacuju u blok i direktno ih hladi tečnost iz sistema za hlađenje. Manja krutost zbog oslanjanja manjim delom površine na blok, zbog čega moraju biti reletivno masivnije, uz probleme sa zaptivanjem tečnosti za hlađenje (obično gumenim prstenovima u dve visine, između kanal i otvor za odriv kad zaptivanje popusti). Takođe, montaža je teža i potrebni su specijalni alati za montažu.

Površina zidova cilindara mora biti glatka, sa visokim kvalitetom površinske obrade za minimalnu hrapavost, najčešće sa završnim honovanjem. Tolerancija oblika zahteva minimalnu ovalnost i koničnost.

Najveća istrošenja bloka usled habanja su u oblasti prvog kompresionog prstena u visini SMT, koji radi u uslovima trenja bez podmazivanja i termički opterećen.

Glava motora (cilindara)

Recirkulacija izduvnih gasova (EGR)Princip rada

• Deo izduvnih gasova iz motora se kroz usisni sistem vraća natrag u cilindar – u proces sagorevanja. Primenjuje se i za dizel i za oto motore.

• Snižava se vršna temperatura sagorevanja. Izduvni gasovi su inertni – ne sagorevaju. Stoga radno telo – smeša izduvnih gasova, goriva i vazduha ima veću specifičnu toplotu od smeše goriva i vazduha. Grejanje izduvnih gasova uzima toplotu, zbog čega temperatura sagorevanja pada i smanjuje se količina azotnih oksida pri sagorevanju, koji nastaju na visokoj temperaturi.*

• Smanjuje se količina neiskorišćene toplote, koja sa izduvnim gasovima odlazi atmosferu, jer recirkulisani izduvni gasovi sadrže toplotu.

• Smanjuje se rad katalitičkog konvertora koji neutrališe azotne okside, jer je temperatura sagorevanja niža.

• Ne koristi se za puna opterećenjaSmanjuje se količina vazduha jer deo zapremine cilindra zauzimaju izduvni gasovi, pa se ne može dodati puna količinu goriva za smešu u radnom ciklusu. Zato se puno opterećenje ne može dobiti sa recirkulisanim izduvnim gasovima.

Usklađivanje položaja leptira sa radom sistema za recirkulaciju izduvnih gasova (EGR) vrši se preko računara.

(Isključivanje EGR sistema u cilju dobijanja više snage iz motora je neprihvatljivo, jer remeti rad računara na upravljanju leptirom i EGR ventila u zajedničkom dejstvu (oto) i vihorne klapne (dizel).)

Recirkulacija izduvnih gasova (EGR)Osobine i primena za oto motore

• Smanjuju se pumpni gubici kod oto motora, jer se leptir može otvoriti više za istu količinu svežeg vazduha, pošto deo radnog prostora popunjavaju izduvni gasovi. Veće otvaranje leptira daje manje prigušenje na usisu i time smanjuje pumpne gubitke. Smanjenje pumpnih gubitaka smanjuje potrošnju goriva – raste ekonomičnost motora.(Recirkulacijom se vraća u cilindar i kiseonik koji pri radu sa siromašnom smešom nije iskorišćen za sagorevanje, računar proračunava sastav smeše.)

• Sagorevanje je sporoPotrebno je pomerati paljenje više na ranije za dobijanje više rada kod glavnog sagorevanja (p,V dijagram)

• Ne koristi se za rad na praznom hoduMotor je sklon nestabilnom radu i gašenju pri minimalnoj količini goriva, i smeši razređenoj izduvnim gasovima. (Već usled preklapanja ventila ispiranje cilindra je loše na malom broju obrtaja, pa motor radi nestabilno/neravnomerno).

• Količina recirkulisanih gasova je 5 – 15%. Više od toga prekida sagorevanje.

Kod direktnog ubrizgavanja u oto motor u načinu rada (mod) sa siromašnom smešom, zbog manjeg opterećenja katalitičkog konvertora za azotne okside:

• Umanjuje se broj prelazaka na rad sa bogatom smešom u svrhu dobijanja ugljovodinika kao agensa za neutralizaciju azotnih oksida u konvertoru.

Recirkulacija izduvnih gasova (EGR) Osobine i primena za dizel motore

Negativne posledice

• Smanjuje se odvedeni radSnižava se temperatura sagorevanja u radnom taktu što znači i pritisak, od kog zavisi i dobijeni rad, pV dijagram (cena za smanjenje azotnih oksida u izduvu, pričemu se dizel odlikuje većim stepenima sabijanja u odnosu na oto).

Moguće negativne posledice

• Nastaje nepotpuno sagorevanjeSnižena temperatura daje nepotpuno sagorevanje dizel goriva, koje se pali toplotom gasa u cilindru na visokoj temperaturi.

• Pojavljuju se čestice u izduvu (ugljenika).

Da bi se uvela veća količina izduvnih gasova u cilndar, oni se hlade u međuhladnjaku pre uvođenja u cilindar. Hladniji gasovi zauzimaju manju zapreminu, a veća količina inertnih gasova povećava koeficijent specifične toplote, što efikasnije snižava vršnu temperaturu sagorevanja.

Kod dizel motora može se uvesti do 50% recirkulisanih gasova, (pa i više) jer oni i inače rade sa velikim viškovima vazduha, naročito na praznom hodu. Sa daljim povećanjem raste previše koef.spec.topl., pa bitno pada temeratura sagorevanja, što stvara čestice.

Funkcionalna šema EGR*

Sistem automatskog upravljanja (SAU) sa povratnom spregom za konverziju otrovnih

komponenti u izduvnim gasovima (oto)• Upravljanje sastavom i količinom smeše u otvorenom kolu SAU nije

dovoljno za sagorevanje bez toksičnih komponenti.Potrebno je znati rezultat upravljanja i popraviti sastav smeše prema sastavu izduvnih gasova.

• Uvodi se povratna sprega preko lambda senzora – davača sadržaja kiseonika u izduvnim gasovima.Čak i sa povratnom spregom ne može se ostvariti idealno sagorevanje (=1) jer se ne mogu ostvariti isti uslovi sagorevanja po celom prostoru za sagorevanje. (Nehomogenost smeše, dispozicija svećice-oto, brizgaljke-dizel).

Upravljanje sastavom smeše vrši se: Količinom ubrizganog goriva za datu količinu vazduha (masa goriva i masa vazduha)

Količina ubrizganog goriva podešava se vremenom ubrizgavanja goriva za dati sistem

Odstupanja od zadatog sastava smeše utvrđuje se prema količini (manjak ili višak) kiseonika u izduvnim gasovima, što se meri lambda – davačem

Vreme impulsa ubrizgavanja*

• Vb – Količina ubrizganog goriva [mm3]• Ti – vreme impulsa ubrizgavanja (“širina impulsa”)• Kb – Stacionarna protočna karakteristika brizgaljke [mm3/ms] p – Razlika pritisaka u brizgaljki i okolini ubrizgavanja - Koeficijent protoka brizgaljke, obuhvata oblik otvora

Sa porastom razlike p pritisaka smanjuje se površina poprečnog preseka otvora Ab za istu protočnu karakteristiku brizgaljke, a raspršivanje goriva je bolje.

2

_ _

b b i

b b bg

i

V K T

pK A

T proizvodi uticajnih faktora

Način rada SAU• Sistem proračunava punjenje gorivom na osnovu radnih informacija o opterećenju

motora. (pi/pimax, češće pe/pemax).

Osnovni parametri kojima se opisuje opterećenje motora su protok mase vazduha kroz usisni vod, ili protok zapremine, temperatura i pritisak vazduha i u usisnom vodu, pa se izračunava (motorni računar), ako se ne meri protok mase.Za izračunavanje mase vazduha po ciklusu meri se broj obrtaja motora.(Na višim brojevima obrtaja protok mase vazduha je veći).Za merenje protoka mase vaduha koristi se protokomer sa vrelim fimom (HFM, Hot Film Mas senzor).Za merenje pritiska u usisnom vodu koristi se senzor apsolutnog pritiska u usisnom vodu (MAP-Manifold Apsolute Pressure), uz protokomer i senzor temperature.Sadržaj kiseonika u izduvnom gasu, koji se meri lambda davačem, je parametar koji se koristi za popravljanje sastava smeše, ne za određivanje sastava smeše. Proračun protoka mase vazduha se odvija dinamički, u toku rada motora.

davači omogućavaju popravljanje grešaka u ubrizgavanju goriva, nastalih usled netačno ubrizgane količine goriva.Greške u ubrizgavanju goriva mogu nastati usled netačnog merenja pritiska ubrizgavanja, promene gustine goriva zagrevanjem goriva, netačnog merenja protoka mase, odnosno zapremine, temperature i pritiska vazduha na usisu, promene nominalnih karakteristika brizgaljki usled habanja itd.

Vrste davača u povratnoj sprezi SAU

• Davač sa dvostepenom kontrolom

davač menja signal u dva stepena: Bogata ili (xor) siromašna smešaKoličina ubrizganog goriva za stehometrijsku smešu se održava kao “dinamički prosek” između bogate i siromašne smeše.Nedostatak: Ne može se upravljati sastavom smeše tako da se dobijaju bogate <1 i/ili siromašne >1 smeše, nego samo stehiometrijska smeša =1 (i to statistički). (Oto).Prednost: jednostavnija konstrukcija i niža cena u odnosu na davače sa neprekidnom kontrolom (“širokopojasni”).

• Davač sa neprekidnom kontrolom

davač daje neprekidan signal o sastavu smešePotrebno vreme odziva za korekciju smeše je kraće, jer se odstupanje od tražene vrednosti očitava odmah, a ne samo na granicama, kada preovlada “bogato/siromašno” i obrnuto, kao kod dvostepene kontrole.Motorom se može upravljati tako da radi i sa bogatom i sa siromašnom smešom na zadatoj vrednosti , a ne samo sa stehiometrijskom =1. Davač radi sa ≥0.7.Oto: Neophodni za redukciju azotnih oksidaDizel: Učestvuju u regeneraciji filtera za čestice ugljenika.

Funkcionalna šema kontrole količine ubrizganog goriva sa dvostepenim davačem

Upravljanje sa jednim, dva i tri davača (oto)

• Sa jednim davačem davač se postavlja pre ili posle trostepenog katalizatoraDavač može biti dvostepen ili kontinualan. Davač postavljen pre katalizatora nema informaciju o tome šta radi katalizator – šta odlazi u atmosferu. Odziv je brz, ali je davač izložen temperaturnim stresovima, i agresivnom dejstvu izduvnih gasova, što umanjuje tačnost.Davač postavljen iza katalizatora daje podatke kasnije, jer izduvni gasovi treba da prođu kroz katalizator pre nego što stignu do davača, što zahteva vreme.Ipak, zna se konačan rezultat rada motora u odnosu na izduvne gasove koji odlaze u atmosferu.

• Sa dva davačaJedan davač se postavlja pre trostepenog katalizatora (“primarni”) i jedan posle katalizatora za azotni okside (“glavni”). Obično je prvi davač kontinualnog tipa, da bi pratio sve promene, a drugi sa dvostepenom kontrolom, jer se na kraju traži =1.Kod ubrizgavanja u usisni vod i rada sa stehiometrijskom smešom, davač iza katalizatora postavlja se samo na zahtev, ako se želi znati krajnji rezultat i tada je obično dvostepeni. (Za =1 dovoljan je jedan dvostepeni davač.)Kod ubrizgavanja u usisini vod i rada sa siromašnom smešom, uvek se postavlja davač i iza glavnog katalizatora. Isto važi i za direkto ubrizgavanje. Drugi davač ima integrisan i senzor za azotne okside, koji se stvaraju u siromašnoj smeši.Sastav izduvnih gasova iza glavnog katalizatora je manje agresivan, pa je čitanje tačnije u dužem vremenskom periodu.Oba davača mogu biti dvostepena, ili je prvi kontinualan, a drugi dvostepen za O2.

• Sa tri davača davač se postavlja pre trostepenog katalizatora (jedan, kontinualan) i po jedan posle trostepenog i posle katalizatora za azotne okside zavisno od zateva. (Veći zahtev, čistiji izduv, viša cena).

Upravljanje sa više od tri davača (oto)

Davači po pojedinim cilindrima

Jedan davač u zajedničkoj izduvnoj cevi za motor posle skupljanja izduvne grane nema informaciju o tome šta se dešava sa pojedinim cilindrima, već samo informaciju o ukupnom sastavu izduvnih gasova motora.

Davačima po pojedinim cilindrima u svakoj grani izduvnog sistemma može se popraviti sastav izduvnih gasova posebno za svaki cilindar motora.

Ako su svi cilindri u istom (dobrom) stanju (kompresija) i punjenje vazduhom je ravnomerno po cilindrima, izjednačiće se i momenti po pojedinim cilindrima.

Ako su cilindri u različitom stanju i/ili ne dobijaju istu količinu vazduha, jednim zajedničkim davačem popraviće se samo ukupan sastav smeše. Tada cilindar koji razvija manji moment biva “vučen” od ostalih cilindara.

Na neravnomernost punjenja mogu uticati i greške u izračunavanju (ECU), koje utiču na ceo motor, kada je takođe moguće poraviti sastav smeše, ali ne i moment po cilindrima.

Davači po pojedinim cilindrima mogu se primeniti samo kod varijante “naprednog” sekvencijalnog ubrizgavanja (indirektno), gde je moguće menjati dužinu vremena ubrizgavanja (“širinu impulsa ubrizgavanja”) za svaki pojedini cilindar, odnosno količinu ubrizganog goriva po svakom pojedinom cilindru. Takođe i kod direktnog ubrizgavanja.

Funkcionalna šema SAU sa jednim i dva davača* (oto)

Funkcionalna šema SAU sa tri davača* (oto)

Zajedničko delovanje davača

davači iza katalitičkog konvertora, pored kontrole delovanja konvertora mogu da:

• Kontrolišu rad davača pre konvertora• Izmene signale davača pre konvertora (prema

ECU i time poboljšaju sastav izduvnih gasova iz motora

Zajednički rad više davača u više zatvorenih petlji (povratnih sprega) mora imati uporište u programskom modelu ECU.

Upravljanje u zatvorenoj petlji davača (dizel)

Jedan kontinualni davač u izduvnoj cevi meri količinu preostalog koseonika u izduvnim gasovima. Signal lambda sonde koristi se za:

• Upravljanje radom EGR ventilaPromena količine recirkulisanih izduvnih gasova menja vršnu temperatru sagorevanja, od koje zavisi količina azotnih oksida u izduvu. Vršna temperatura ne sme biti previsoka zbog pojave NOx, ali ni preniska, zbog hladnih ciklusa, kada slabi efektivnost motora (pothlađen motor) i raste pojava čestica u izduvu. Otvaranjem EGR ventila povećava se količina recirkulisanih izduvnih gasova kada treba sniziti vršnu temperaturu sagorevanja. (Exaust gas related control loop).Količina recirkulisanih izduvnih gasova ne može biti veća od količine vazduha potrebnog za ostvarenje zahtevanog momenta motora*.

• Ograničenje pojave crnog dimaMaksimalna količina goriva koja se može ubrizgati, a da ne dođe do pojave crnog dima u izduvu, preme količini EGR-a. U kalkulaciju za količinu goriva ulazi i brzina motora obzirom na to da specifična potrošnja goriva zavisi i od brzine – broja obrtaja motora. Pri punom opterećenju motora ne recirkulišu se izduvni gasovi jer je potreban sav vazduh-kiseonik za dobijanje maksimalnog momenta motora.

• Učešće u regeneraciji katalizatora azotnih oksida i filtera za čestice Signal lambda sonde koristi se za određivanje kraja procesa regeneracije NOx katalizatora i regulaciji količine recirkulisanih izduvnih gasova kod regeneracije DPF.

Kočenje motorom (overrun mode)Isključuje se dovod goriva i zatvara EGR ventil jer nema sagorevanja. U cilindru pri ponovnom upućivanju motora u rad nalazi se čist vazduh što omogućava brz prelaz u rad motora kao pogonskog agregata, kad kočenje motorom prestane.

Prečišćavanje čestica iz izduvnih gasova dizel motora

Proces prečišćavanja čestica iz izduvnih gasova kod dizel motora odvija se u dve faze:• Uklanjanje čestica

Čestice se iz izduva uklanjaju filterom (DPF, Diesel Particulate Filter)Filter je sastavljen od keramičke rešetke sa puno paralelnih kanala debljine zida (300-400)m, (0.3—0.4)mm. Susedne ćelije su zatvorene na krajevima (“šah polja”), alternativno na ulazu i na izlazu gasa iz filtera. To prinuđuje gas da se kreće (difuzija) kroz zidove rešetke u čijim porama se čestice zadržavaju. Nagomilavanje čestica smanjuje pore, sa čime raste efikasnost prečišćavanja čestica. Istovremeno raste i pritisak na ulazu u filter.Postoje i rešetke od metala u koje se ubacuje prah sinterovanih metala i rade na istom principu kao i keramički filteri. Prah obrazuje vrlo male pore u kojima se čestice zadržavaju.Osim difuzijom kroz pore čestice se mogu izdvajati i taloženjem na zidovima rešetki. Kada se umesto kvadratnog poprečnog preseka kanala rešetke primeni osmougaoni, povećava se poprečni presek kanala, a time povećava i kapacitet filtera.Efikasnost prečišćavanja čestica je 95%.

• Sagorevanje česticaFilter za čestice je akumulatorskog tipa. Sa nagomilavanjem čestica protočni preseci kroz rešetku se smanjuju, zbod čega otpori proticanju izduvnih gasova rastu. Povećanje otpora proticanja ima za rezultat povećanje pritiska u izduvnom sistemu što odnosi koristan rad. Smanjuje se snaga motora i pogoršavaju performanseubrzavanja vozila. Zato se povremeno filter za četice mora osloboditi nagomilanih čestica. Proces oslobađanja filtera od čestica vrši se sagorevanjem čestica i naziva se “regeneracija” filtera.

Regeneracija filtera za čestice (DPF) dizel motora

Sagorevanje čestica ugljenika u filteru za čestice – regeneracija filtera za čestice

Čestice C sagorevaju na temperturi od oko 600 stepeni u neotrovan CO2. U normalnom radu dizel motora putničkih vozila ovakve temperature su vrlo retke. Zato se

• Snižava temperartura sagorevanja aditivima u gorivu• Povišava temperatura izduvnih gasova sekundarnim ubrizgavanjem goriva, ranim i

kasnimPeriod akumulacije čestica u filteru je 300-800km, u proseku oko 500km.Regeneracija – sagorevanje čestica traje (10-15)min. Za vreme regeneracije, da bi bila

potpuna, ne treba prekidati vožnju (nedostatak).Trenutak kad treba početi sa regulacijom utvrđuje se na osnovu pada pritiska kroz filter,

odnosno razlike pritisaka na ulazu i izlazu iz filtera. Iz razlike se izračunava zapreminski protok izduvnih gasova i na osnovu toga otpori strujanju na koje se troši energija motora pri izduvavanju. Pri tom se koristi i model za izračunavanje količine čestica u filteru. Kriitčna masa čestica je 5-10g/l zapr. Filtera, zavisno od materijala DPF.

Kraj regeneracije utvrđuje se padom temperature u filteru, kada se smanjuje dovođenje toplote sagorevanjem čestica, jer se smanjuje količina čestica u filteru. Za sagorevanje – oksidaciju čestica služi kiseonik. Stoga pri regeneraciji pomaže i lambda sonda, preko koje se menja količina recirkulisnih izduvnih gasova u odnosu na nominalnu i kontroliše sadržaj kiseonika tokom sagorevanja čestica. Takođe davač temperature

Performanse motora za vreme regeneracije treba da budu očuvane.

Regeneracija i čišćenje filtera za čestice (DPF) dizel motora

Sagorevanje čestica ugljenika u filteru za čestice – eksplicitna regeneracija filtera za čestice

Kada stalni uslovi vožnje ne omogućavaju automatsku regeneraciju filtera za čestice, a pad pritiska u filteru pređe kritičan, vrši se eksplicitna regeneracja DPF. Nekim od dijagnostičkih uređaja uvodi se motor u režim rada sa povišenim brojem obrtaja i kasnim sekundarnim ubrizgavanjem. Uređaj proverava količinu aditiva za sniženje temperature sagorevanja, koji se nalazi u posebnom rezervoaru. Vozilo stoji u mestu, a proces se sprovodi imajući u vidu ekološki aspekt. Postupak traje nekoliko minuta.

Ako i posle eksplicitnog čišćenja DPF-a pad pritiska u filteru nije zadovoljavajući, u filteru se nakupilo i drugih čestica, koje ne sagorevaju - pepeo. Njihovo poreklo je od aditiva iz goriva i od aditiva iz ulja za podmazivanje. (Ulje iz prostora za sagorevanje dospeva pod uticajem pumpnog dejstva klipnih prstenova). Tada se filter mora očistiti od ovih materija na specijalnim uređajima za čišćenje filtera. Čišćenje DPF-a od čestica neugljeničnog sastava – pepela obavlja se jednom do dva puta u veku trajanja. (U proseku na 120 000 km za keramičke filtere).

Napomena: Kod zapušenja DPF-a ECU motora ograničava maksimalan broj obrtaja motora.

Sinter-filteri zbog metalne rešetke bolje provode toplotu nego filteri sa keramičkom rešetkom. Zato sinter-filteri imaju nešto bržu i potpuniju regeneraciju po celoj zapremini od filtera sa keramičkim rešetkama.

Ventilacija kućišta motora(zatvoren sistem*)

Produkti sagorevanja, koji se sastoje od potpunog sagorevanja (ugljen-dioksid i voda, odnosno vodena para), nepotpunog sagorevanja (čestice, ugljen-monoksid i ugljovodonici) prodiru iz prostora za sagorevanje u kućište motora (produvavanje) i kroz zaptivače ventilskih stabala (tokom izduvavanja) u kućište bregaste osovine/vratila. U kućištu bregaste osovine i, znatno više u kućištu motora, za vreme rada motora, stvaraju se vrlo sitne kapljice ulja najčešće veličine (0.5-2.0) m. Kapljice se smanjuju sa porastom temperature ulja koja raste sa porastom opterećenja motora (vikoznost ulja opada pa se lakše kida po zapremini).

Kapljice ulja stvaraju pokretni delovi motora, posebno na zidovima cilindra koji se podmazuju. Kapljice nastaju i posle hlađenja glave klipa uljem, kondenzacijom. Iz kućišta bregaste osovine kapljice ulja odlaze u kućište motora kroz vodove za vraćanje ulja dovedenog za podmazivanje mehanizma bregaste osovine ili kroz poseban vod.

Ulje iz zatvorenog sistema ventilacije kućišta motora treba odstraniti u najvećoj mogućoj meri u cilju smanjenja naslaga i/ili depozita:

• Na ventilima (koksovano ulje, važi i direktno za prirodan usis i za turbopunjenje)• U katalitičkim konvertorima (posle sagorevanja)• Turbokompresorima (naslage pepela od neorganskih aditiva dodatih ulju)• MeđuhladnjacimaOsim toga, odstranjivanjem ulja iz povratnog voda smanjuje se i ukupna potrošnju ulja

motora.Posle odstranjivanja ulja (separacija) u usisni kolektor se vraćaju samo gasovi iz kućišta

motora.Na neizdvojeno ulje, vraćeno u zatvorenom sistemu na usis motora, posebno su osetljivi

turbopunjači dizel motora (VTG) i turbopunjači oto motora sa direktnim ubrizgavanjem benzina.

Ventilacija kućišta motora - instalacija(zatvoren sistem*)

Sistem za ventilaciju kućišta motora čine• Izdvajač ulja (separator)

– LavirintniPromenom pravca strujanja lavirintnim pregradama, kroz koje teče gas iz kućišta, velike količine ulja i velike kapljice ulja (1-2) m izdvajaju se (inercijalno izdvajanje). Ovi izdvajači ne zahtevaju ćišćenje.

– CiklonskiVihorno kretanje gasa za kapljice veličine 1.5 m (inercijalno izdvajanje). Ne zahtevaju ćišćenje. Efikasnost prečišćavanja je vrlo zavisna od brzine motora, sa kojom raste.

– Sintetička vlakna (fiber)Difuziono kretanje gasa kroz pore, čija veličina određuje i veličinu kapljica ≤1 m koje se izdvajaju. Skloni zapušavanju česticama. Zahtevaju čišćenje.

– CentrifugalniRotorajućim elementima sa nezavisnim pogonom ostvaruju se centrifugalne sile kojima se izdvajaju čestice. Poseban pogon elemenata eliminiše zavisnost od razlike pritiska potrebne za protok gasa (troškovi). Daju najbolje rezultate.

– ElektričniElektrode koje naelektrišu čestice ulja, a zatim se koristi magnetno polje naelektrisanih čestica za njihovo izdvajanje. Napon naelektrisanja 5-15 kV. Nedostatak, talozi na elektrodama.

Ventilacija kućišta motora - instalacija(zatvoren sistem*)

Sistem za ventilaciju kućišta motora čine

• Ventil upravljan podpritiskom (PCV)Ventil sa usmerenim protokom (Positive Crankcase Ventilation).Ventil se sastoji od prigušnice sa zatvaračem. Veličinu prigušenja određuje podpritisak, odnosno razlika pritisaka u kućištu motora i usisnom kolektoru sa jedne strane, a sa druge opruga prigušnice.Kod oto motora:Najveća razlika pritisaka između kućišta motora i usisnog kolektora je kad je leptir-klapna motora zatvorena. Tada je broj obrtaja minimalan, opterećenje motora minimalno i produvavanje u kućište minimalno. Velika razlika pritisaka savladava dejsvo opruge i zatvara ventil.Najmanja razlika pritisaka između kućišta motora i usisnog kolektora je kad je leptir-klapna motora potpuno otvorena. Tada je broj obrtaja maksimalan, (prema otporu kretanja vozila), opterećenje motora maksimalno i produvavanje u kućište maksimalno. Sila u opruzi otvara ventil.U slučaju nekontrolisanog sagorevanja u usisnom kolektoru (“back fire”) naglo povećanje pritiska sa strane suprotne pozitivnoj ventilaciji zatvara ventil. Time se sprečava prostiranje plamena iz usisnog voda ka kućištu i upaljenje gasa u kućištu motora, što može izazvati eksploziju.

• Priključci i creva

Snabdevanje gorivom kod ubrizgavanja benzina

Instalacije niskog i visokog pritiska

Zadatak sistema za snabdevanje gorivom

Indirektno ubrizgavanje (u usisni sistem)• Snabdevanje brizgaljki

– Instalacija (niskog) pritiska (1-5) bar

U odnosu na indirektno ubrizgavanje, kod direktnog ubrizgavanja je vreme na raspolaganju kraće, a uslovi za obrazovanje smeše teži. Zato su pritisci ubrizgavanja znatno viši kod direktnog ubrizgavanja benzina.

Zbog visokih pritisaka ubrizgavanja uvodi se dvostepeno ubrizgavanje po pritisku.

Direktno ubrizgavanje (u cilindar)• Snabdevanje pumpe visokog pritiska

– Instalacija niskog pritiska • Snabdevanje brizgaljki

– Instalacija visokog pritiska (180-200) bar

U oba sistema se vrši:• Skladištenje goriva (rezervoar)• Prečišćavanje (filter)• Sprečavanje emisije para goriva u atmosferu (evap, propisi)

Instalacija niskog pritiska za snabdevanje gorivom (ubrizgavanje u usisini vod)

• Povratni sistemiProtok goriva i pritisak ubrizgavanja daje električna pumpa za gorivo.Put goriva:Pumpa uzima gorivo iz rezervoara i kroz prečistač za gorivo potiskuje ga kroz vod pod pritiskom višim od pritiska ubrizgavanja u akumulator zajedničke magistrale (fuel rail, fuel distributer). Vod je povezan sa jednim krajem akumulatora.Brizgaljke dobijaju gorivo iz akumulatora, zajednički nose akumulator, a postavljene su na usisne cevi (multipoint) u koje ubrizgavaju gorivo.Mehanički regulator pritiska sa ventilom i povratnim vodom za gorivo je postavljen na drugom kraju akumulatora. Regulator održava pritisak ubrizgavanja u zavisnosti od pritiska u usisnom kolektoru, odnosno u zavisnosti od opterećenja motora. (Zavisnost pritiska ubrizgavanja od pritiska u usisnom kolektoru je bitna za vreme – dužinu impulsa ubrizgavanja).Višak goriva se vraća iz akumulatora u rezervoar posebnim vodom. (Kapacitet protoka pumpe je uvek veći od potreba motora). Gorivo koje se vraća je toplo jer se akumulator goriva greje od motora, a temperatura dodatno raste i prigušivanjem u regulatoru pritiska. Vraćeno toplo gorivo iz akumulatora greje gorivo u rezervoaru i izaziva isparavanje. Potreban je sistem za recirkulaciju para goriva. (Evap, karbon kanister).

Instalacija niskog pritiska za snabdevanje gorivom (ubrizgavanje u usisini vod)

• Nepovratni sistemiRazlika u odnosu na povratne sisteme je u tome što je regulator pritiska sa ventilom postavljen odmah iza pumpe za gorivo, ako je pumpa u rezervoaru, ili u neposrednoj blizini rezervoara, ako pumpa nije u rezervoaru. Višak goriva se vraća u rezervoar ne odlazeći u akumulator. Grejanje goriva je bitno smanjeno, ali je regulator udaljen od usisnog kolektora i ne vrši više fukciju održavanja konstantnog pritiska ubrizgavanja goriva. Dužina impulsa ubrizgavanja se kalkuliše u ECU.Ipak, nepovratni sistemi su potisnuli povratne sisteme.

• Sistemi upravljani prema zahtevu za gorivomGorivo se isporučuje prema potrošnji motora i prema pritisku ubrizgavanja, a za dati način rada motora.Radom električne pumpe za gorivo upravlja ECU, regulacijom napona preko digitalnog modula. Kontrola pritiska goriva je u zatvorenoj petlji, preko davača za gorivo niskog pritiska, čime je funkcija mehaničkog regulatora pritiska zamenjena. Sistemu je dodat ventil za rasterećenje od povećanog pritiska za vreme prevelike brzine motora (overrun cutoff) i kod isključenja motora (“topla pumpa” diže pritisak).

Prednosti:• Manje energije za pogon pumpe i manje dimenzije pumpe, jer nema viška goriva i

pritiska – veća ekonomičnost motora• Manje grejanje goriva (emisija para goriva i dužina impulsa brzgavanja) • Regulacija pritiska u širokom opsegu, pokriva i turbo punjenje i vruć start (mehurići

goriva usled grejanja od isključenog motora.• Tačnija regulacija količine ubrizganog goriva jer ECU računa sa pritiskom goriva

preko davača niskog pritiska.• Unapredjene mogućnosti dijagnostike zbog davača pritiska goriva.

Instalacija niskog pritiska za snabdevanje gorivom (direktno ubrizgavanje)

Zadatak: Dostavljanje goriva u instalaciju prema pumpi visokog pritiska

Pumpe visokog pritiska zahtevaju prethodno snabdevanje gorivom pod niskim pritiskom zbog sprečavanja isparavanja goriva u samoj pumpi visokog pritiska.

Pare goriva stvara:• Toplota motora u radu• Toplota zaustavljenog motora (pri toplom startu)

Tkzv. “pristupni pritisak” (“admission pressure”), pod kojim pumpa niskog pritiska šalje gorivo pumpi visokog pritiska, sprečava isparavanje goriva i stvaranje mehurića pare goriva u PVP. Mehurići čine diskontinuitet u fluidu, koji ometa ispravan rad pumpe, utičući na protok i pritisak koji prema zajedničkoj magistrali isporučuje.

Instalacija niskog pritiska je u osnovi neka od instalacija za ubrizgavanje goriva u usisne cevi (indirektno ubrizgavanje).

Najbolja varijanta za instalaciju VP: Isporuka goriva na zahtev (druga generacija).

Instalacija visokog pritiska za snabdevanje gorivom (direktno ubrizgavanje u cilindar)

• Pumpa visokog pritiskaSnabdeva zajedničku magistralu gorivom pod visokim pritiskom (150/200 bar)

• Zajednička magistrala (“fuel distributor”)Akumulator za gorivo pod visokim pritiskom (u suštini “common rail”, princip kao kod dizel motora)

• Senzor pritiska (visokog) za ubrizgavanje gorivaKoristi ga računar za upravljanje pritiskom goriva u magistrali, ali i za upravljanje pritiskom u instalaciji niskog pritiska (ako se u inst. NP može regulisati pritisak).

• Brizgaljke za ubrizgavanje goriva direktno u cilindarPostavljene na zajedničkoj magistrali (moguća i razdvojena konfiguracija)

Kontinualno snabdevanje (starija rešenja):• Ventil za kontrolu pritiska – za upravljanje pritiskom

Propuštanjem viška goriva ka instalaciji niskog pritiska održava pritisak u akumulatoru.Obezbeđuje od nedozvoljeno visokog pritiska (preopterećenja), druga funkcija.Postavljen je na magistrali. Zajednička funkcija snabdevanja gorivom i obezbeđenja.

Isporuka goriva na zahtev (novija rešenja): • Ventil za kontrolu pritiska – za upravljanje protokom i pritiskom, integrisan sa PVP• Ventil za ograničenje pritiska ograničava maksimalan pritisak u zajedničkoj

magistrali (preopterećenje), postavljen na magistrali, mehanički ventil, u normalnim uslovima zatvoren.Funkcije upravljanja protokom i pritiskom su razdvojene od funkcije preopterećenja.

Instalacija visokog pritiska DI- konfiguracije

U upotrebi su sistemi sa pogonom pumpe preko bregastog vratila:

• Kontinualni sistemi (radijalna klipna pumpa visokog prit. sa tri komore)Količina goriva, koju isporučuje pumpa visokog pritiska, ne može se podesiti. Višak goriva, nepotreban za rad motora i održavanje pritiska ubrizgavanja, vraća se u sistem niskog pritiska.Pritisak održava ventil za upravljanje pritiskom (kontrolu) ubrizgavanja na zajedničkoj magistrali za trenutni način rada motora: Više goriva se propušta kroz ventil i obara pritisak, kada treba manji pritisak za rad motora. Variranjem pritiska, umesto konstantno visokog pritiska se štedi energija za pogon pumpe. Ventil ujedno ima i funkciju zaštite sistema od prevelikog pritiska. (Upravlja ga ECU).

• Sistemi po zahtevu (radijalna klipna pumpa vis.prit. sa jednom komorom.)Količina goriva, koju isporučuje pumpa visokog pritiska, može se podesiti. Samo gorivo potrebno za rad motora i održavanje pritiska se šalje ka zajedničkoj magistrali U odnosu na kontinualni sistem ne rasipa se energija na nepotreban pogon PVP. Pritisak goriva je promenljiv i podešava se prema načinu rada motora.Podešavanje pritiska ubrizgavanja počinje već podešavanjem pritiska u pumpi niskog pritiska.Pristupni pritisak iz PNP u PVP se reguliše tako da u zajedničkoj magistrali bude pritisak potreban za trenutni način rada motora. (Upravlja ga ECU preko dva davača za pritisak, za nizak i visok pritisak).Ventil za ograničene pritiska je dodat na magistralu (uvek) kao zaštita sistema od preopterećenja.U starijim izvođenjima ventil za kontrolu i upravljanje pritiskom je na magistrali, a u novijim integrisan u PVP.

Instalacija visokog pritiska DIUporedne osobine kontinualnih sistema i sistema

sa isporukom goriva na zahtev

• Kontinualni sistemi– Veća isporuka goriva nego što je potrebno za rad motora povećava

potrošnju goriva motora zbog nepotrebne potrošnje energije na pogon pumpe visokog pritiska (pritisak je ipak upravljan prema trenutnom načinu rada motora, što rasterećuje pumpu od neprekidnog rada na savlađivanju stalno maksimalnog pritiska.)

– Višak goriva koji se iz sistema visokog pritiska vraća u sistem niskog pritiska je ugrejan i povišava temperaturu goriva u PVP (manja gustina goriva – duži impulsi brizgaljki, veći utrošak energije držanja otvorenih brizgaljki.)

• Sistemi prema zahtevu– Nema nepotrebnih gubitaka energije na pogon PVP i grejanja goriva– Složenija konstrukcija i upravljanje i sistema niskog i sistema visokog

pritiska (ne predstavlja tehnički problem, ipak nešto skuplje)

Pumpe niskog pritiskaPogon pumpi niskog pritiska je električnim putem

Tipovi pumpi• Sa promenom zapremine (positive displacement)

Transport goriva preko malih zapremina, (ćelije)• Hidrokinetičke, sa lopaticama (impeler flow)

Transport goriva povećanjem kinetičke energije fluida (rotacijom)

Zahtevi koji se postavljaju za pumpe• Protok goriva Q=50-250 l/h• Pritisak u sistemu 3-6,5 bar (i 7 bar)• Ostvarenje pritiska goriva u radu motora sa 50-60% nominalnog napona pri

naponskom regulisanju radom pumpe

Električne pumpe za gorivo se koriste za oto motore i kod indirektnog i kod direktnog ubrizgavanja, takođe za dizel motore kao pumpe niskog pritiska.

Pumpe niskog pritiskasa promenom zapremine

Konstrukcija:• Ulazni deo (stepen) sa pumpnim elementom i hidrauličkim ulaznim priključkom• Srednji deo sa elektromotorom (stalan magnet i ugljene četkice)• Izlazni deo sa nepovratnim ventilom, električnim priključkom i izlaznim hidrauličkim

priključkom

Elektromotor je potopljen u gorivo koje ga hladi.Varničenje na četkicama ne može upaliti benzin (tečna faza).

Način rada:Male zapremine goriva se uvlače u zatvorene ćelijice na usinoj strani i rotacijom ćelija

prenose ka potisnoj strani.Gorivo ulazi u ćelije pod uticajem povećanja zapremine ćelije, a izlazi iz ćelija pod

uticajem smanjenja zapremine ćelije.

Tipovi u upotrebi:• Krilna pumpa sa valjčićima (roller – cell)• Zupčasta pumpa sa unutrašnjim ozubljenjem (gerotor)• Pumpa sa zavojnim vretenom (screw spindle) (vijčana)

Pumpe niskog pritiska sa promenom zapremine, osobine

• Prednosti– Visok pritisak, 450kPa = 4,5bar– Dobra efikasnost*, do 25%– Ravnomerna promena protoka sa promenom napona regulacije

pumpe prema protoku

• Nedostaci– Pulsacije pritiska zbog transporta goriva konačno malim

zapreminama - ćelijama– Moguća buka u instalaciji u zavisnosti od konfiguracije

instalacije, prouzrokovana pulsacijama pritiska. (Uticajni faktori su dužina i prečnici vodova za gorivo i način oslanjanja pumpe na podlogu).

Pumpe niskog pritiskasa promenom zapremine

• Levo: Krilna pumpa sa valjčićima kao krilimaNa usisnoj strani, od 5 ka 1 (svetlija boja za niži pritisak), u smeru okretanja valjčići se udaljavaju od centra okretanja ploče 2 i time povećavaju zapreminu ćelija. Na potisnoj strani, od 1 ka 5 (tamnija boja za viši pritisak), u smeru okretanja ploče valjčići se približavaju centru i time smanjuju zapreminu ćelija. U kućištu 4 nalaze se prilazne i odlazne zapremine za gorivo na vezi sa usisnim i potisnim vodom.

• Desno: Krilna pumpa sa krilima. Isti princip kao i kod valjčića, ali uz trenje klizanja krila, umesto trenja kotrljanja valjčića koje je manje od trenja klizanja.

Centar okretanja rotora i centar valjkastog kućišta se ne poklapaju, što je geometrijiski uslov za promenu zapremina ćelija tokom okretanja rotora.

Zupčasta pumpa sa spoljnim i unutrašnjim zupčanjem

Gore levo: Zupčasta pumpa sa spoljnim zupčanjem

Dole levo: Zupčasta pumpa sa unurašnjim zupčanjem

Unutrašnji zupčanik ima jedan zubac manje od spoljnog zupčanika, što povećava prostor ćelije sa gorivom, odnosno zapreminu usisavanja i time protok pumpe. (Gore usisavanje, dole potiskivanje goriva).

Protok fluida kroz nagnutu cev promenljivog poprečnog preseka

Pumpe niskog pritiskaHidrokinetičke sa lopaticama

Konstrukcija:• Ulazni stepen sa pumpnim elementom• Srednji stepen sa elektromotorom (stalan magnet i ugljene četkice)• Izlazni stepen sa nepovratnim ventilom, izlaznim hidrauličkim priključkom i

električnim priključkom(Ista principijelna trostepena konstrukcija kao i pumpe sa promenljivom zapreminom).Za odstranjivanje mehurića pare iz goriva postoji jedan kanal malog poprečnog preseka

pod određenim uglom i na rastojanju od ulaznog otvora. Ako nema mehurića pare goriva, vrlo mala količina goriva izlazi iz pumpe. (Niska cena za odstranjivanje mehurića pare benzina).

Način rada:Pumpni element ima raspoređene lopatice samo po periferiji impelera. (Otuda i naziv

“periferne pumpe”.)Lopatice impelera povlače gorivo kroz ulazni otvor na periferiji ispred lopatica i potiskuju ga kroz izlazni otvor na periferiji iza lopatica, na suprotnoj strani aksijalno od strane ulaznog otvora. Fluid napravi skoro ceo krug pre izlaska iz kola turbine, sve do zaustavljivača (“stopper”), koji se nalazi između ulazne zapremine i izlazne zapremine. Oda zaustavljivača gorivo odlazi u srednji stepen pumpe.

Dejstvo ulaznog stepena na stvaranju protoka i podizanju pritiska je trodelno:• Impelersko – usisavanje goriva lopaticama impelera u kolo turbine impelera

(aksijalno)• Centrifugalno – stvaranje kinetičke energije kružnim kretanjem fluida (radijalno, n =

7000/min)• Impelersko – stvaranje pritska na promeni kretanja fluida iz kola impelera u srednji

stepen pumpe (aksijalno)

Pumpe niskog pritiska, osobine Hidrokinetičke sa lopaticama

• Prednosti– Visok pritisak, do 500kPa = 5bar– Nema pulsacija pritiska (ravnomerno održavanje pritiska) jer je

transport goriva kontinualan– Nema buke od pulsacija pritiska– Jednostavnija konstrukcija u odnosu na pumpe sa promenom

zapremine– Dobra efikasnost (do 22%)

Zbog većeg pritiska i boljih radnih i konstruktivnih osobina hidrokrilne pumpe su uveliko zamenile pumpe sa promenljivom zapreminom. Ovo posebno važi za instalacije niskog pritiska za snabdevanje pumpi visokog pritiska u instalacijama visokog pritiska i dizel i benzinskih motora.

Pumpa niskog pritiska Hidrokinetička*

Sistem za sprečavanje emisije para goriva u atmosferu (Evap)

Uzroci isparavanja goriva

Prirodno Isparavanje goriva - benzina u rezervoaru je stalno prisutno (i kad motor ne radi) i raste sa porastom spoljne temperature.

Dodatno isparavanje goriva – ugljovodonika u rezervoaru izazivaju:• Grejanje goriva

– Blizina izduvnog sistema i rezervoara– Toplota goriva iz povratnog voda (kod kontinualnih sistema za snabdevanje

gorivom)• Pad pritiska

– Pad atmosferskog pritiska (tekuće prilike)– Penjanje u visine (hidrostatički pad pritiska)

(Evaporative – emissions control system, Evap)

Sistem za sprečavanje emisije para goriva u atmosferu – način rada

Punjenje posude sa aktivnim ugljem* parama goriva• Ispareno gorivo stvara nadpritisak u zatvorenom rezervoaru. Otvara se

ventil za izlaz vazduha u atmosferu i kroz cevovod iz rezervoara odlaze pare goriva u posudu sa aktivnim ugljem (karbon kanister).Strujanje iz rezervoara prema posudi ostvaruje se pod uticajem razlike pritisaka u sistemu (nadpritisak) i u okolini (atmosferski pritisak).

• Aktivni ugalj apsorbuje ispareno gorivo, a vazduh sa kojim je ispareno gorivo došlo u posudu sa ugljem, izlazi kroz otvor na posudi u atmosferu.

• Davač pritiska pare goriva nalazi se na rezervoaru.

Pražnjenje posude sa aktivnim ugljem od para goriva• Apsorbovano gorivo se iz kanistera, pod dejstvom podpritiska u usisnom

vodu, kroz cevovod odvodi u usisni vod. • Aktivni ugalj otpušta gorivo koje isparava pod dejstvom podpritiska

vazdušne struje prema usisnom vodu.• Vazduh iz atmosfere ulazi na isti otvor na kanisteru, kroz koji je izlazio u

fazi apsorbcije i kretanjem odnosi pare goriva prema usisnom vodu.U toku resorbcije strujanje vazduha se ostvaruje pod uticajem razlike pritisaka u usisnom vodu (podpritisak) u odnosu na okolinu (atmosferski pritisak).

Sistem za sprečavanje emisije para goriva u atmosferu – način rada

Upravljanje punjenjem i pražnjenjem posude sa aktivnim ugljem• Elektromagnetni ventil u cevovodu između kanistera i usisnog voda motora (“purge

valve” – ventil za pročišćavanje) otvara i zatvara protok goriva sa vazduhom iz kanistera u usisini vod. Ventilom upravlja ECU.

• Pražnjenje kanistera vrši se u intervalima u toku rada motora.• Računar otvara i zatvara ventil za pročišćavanje na osnovu pritiska u rezervoaru,

podpritiska u usisnom vodu, načinu rada motora i zasićenosti posude sa aktivnim ugljem.

Uticaj na sastav smeše• Količina ubrizganog goriva za motor umanjuje se za količinu goriva koja dolazi iz

kanistera, kada se pare goriva dovode na usis. • Koncentracija goriva koje se dovodi iz kanistera varira i raste sa količinom

apsorbovanog goriva, a opada sa smanjenjem – pražnjenjem kanistera.• Dotok goriva iz kanistera u usisni vod je ograničen tako da u trenutku otvaranja

ventila spoljni poremećaj – dodatno gorivo, ne bude veći od vrednosti sa kojom se može smeša dovoljno brzo (odziv SAU na spoljni poremećaj) održati u potrebnim granicama. Ograničenje je određeno veličinom protočnih preseka evap-sistema.

• Sastav smeše motora u toku uzimanja goriva iz kanistera se kontroliše i popravlja davačima. (Potrebna je dobra brzina odziva davača, koja se sa vekom smanjuje).

• Zadatak je ECU da izračuna koliko treba da smanji vreme impulsa ubrizgavanja za brizgaljke i time količinu ubrizganog goriva, tako da istovremeno ostvari i dobru vozivost i dobar sastav izduvnih gasova. (Prekratak impuls umanjiće vozivost, predugačak impuls vodi u bogatu smešu).

Sistem za sprečavanje emisije para goriva u atmosferu i slojevit rad (DI)

Slojevit rad se odvija sa široko otvorenim leptirom (WOT – wide open throttle).Način rada motora u kombinaciji WOT-Evap ima karakteristike homogenog

slojevitog rada. (Siromašna smeša iz evapa i sloj iz slojevitog punjenja koji je pali.)Prigušenje u usisnom vodu je manje, time i podpritisak u usisnom vodu.

Manja je razlika između pritiska u kanisteru i pritiska u usisnom vodu nego pri homogenom radu, kad leptir prigušuje vazduh i stvara veći podpritisak u usisnom vodu.

Posledica:Resorbcija goriva iz aktivnog uglja u vidu mešavine goriva i vazduha i odvođenje smeše u usisni vod je smanjeno Umanjen protok vazduha iz atmosfere u kanister pa je dotok smeše sporiji, a otežano isparavanje goriva u aktivnom uglju jer je u sporijoj struji pritisak veći (WOT).

Prema tome:Mogućnost usisavanja para goriva iz karbon – kanistera je u principu smanjena pri

slojevitom radu.Ako se zasiti aktivni ugalj u posudi, odnosno izgubi moć dalje efikasne apsorpcije para

benzina,sistem za sprečavanje emisije para gubi funkciju. Da bi evap sistem ostao u funkciji motor mora da pređe na homogen način rada bezuslovno, iako se otpori kretanja vozilu mogu savladati slojevitim punjenjem. Prelaskom na homogeni način rada, sa malo goriva i vazduha, što odgovara opterećenju u slojevitom radu, prigušenje u usisu raste, pa se aktivni ugalj efikasno oslobađa para benzina. Kad se aktivni ugalj oslobodi od apsorbovanog goriva i kanister bude sposoban ponovo da akumulira pare benzina, motor može da se vrati na slojevit rad.

Šema sistema za kontrolu emisije para goriva*

• Ventil (nepovezan na šemi vozila) je veza sa atmosferom.• Savremeni sistemi omogućavaju sprečavanje emisije ugljovodonika

kroz odušak rezervoara i kod dopunjavanja rezervoara gorivom.• Potrebno je prečišćavati i vazduh koji iz atmosfere ulazi u posudu sa

aktivnim ugljem, da se ugalj ne zaprlja.

Evap sistem(detaljnija šema)

1. Ventilaciona cev2. Ventilacioni ventil3. Gravitacioni plutajući ventil4. Regeneracioni ventil (purge

valve), aktivacija za resorpciju para

5. Nepovratni ventil6. Ekspanzioni sud8. Cev za punjenje rezervoara9. Aktivni ugalj (posuda)10. Leptir gasa12. Davač pritiska i pumpa za

dijagnozu13. Atmosferski prekidni ventil,

aktivacija za apsorpciju i resorpciju para

14. ECU

Prečišćavanje gorivaPrečistač (filter) za gorivo

FunkcijaIzdvajanje i zadržavanje čestica prljavštine iz goriva.Čestice pomešane sa gorivom imaju abrazivno dejstvo koje povećava istrošenje elemenata sistema za ubrizgavanje.

KonstrukcijaKućište sa uloškom kao elementom za prečišćavanje – filtriranje.Oblik prečistača i priključci se izvode tako da struja goriva u najvećoj meri istom brzinom prolazi kroz celu zapreminu elementa za prečišćavanje u cilju poboljšanja efikasnosti izdvajanja čestica prljavštine iz goriva i dužine veka elementa za prečišćavanje.Kućište prečistača je valjkastog oblika od čeličnog lima, livenog aluminijuma ili plastike, sa ulaznim i izlaznim priključkom na sredini baza valjka.Element za prečišćavanje je namotan u spiralu oko centralne cevi u kućištu ili savijen u obliku radijalne harmonike sa šupljinom oko ose valjka (v – forma). Kod spirale gorivo struji paralelno osi valjka kućišta, a kod radijalnog elementa popreko na osu. Poroznost tkanja određuje veličinu čestica i otpore strujanju kroz element. Manje pore prečišćavaju sitnije čestice, ali daju veće otpore.Materijal je tkanje od sintetičkih impregniranih mikro-vlakana.

PostavljanjeU potisni vod pumpe za gorivo niskog pritiska.Na vozilu može biti u rezervoaru za gorivo, u sklopu pumpe, ili u motorskom prostoru.U motorskom prostoru filtrirajući element se može zamenjivati, u rezervoaru se izrađuje sa dužinom trajanja jednakom radnom veku motora (life time, bolje rešenje, ali za zemlje u kojima je garantovan kvalitet goriva).

Prečišćavanje gorivaPrečistač (filter) za gorivo

Princip rada

Veće čestice od veličine pora ne prolaze kroz prečistač.

Manje čestice od veličine pora se zaustavljaju adhezijom na način koji zavisi od njihove veličine:

• Velike čestice usled inercije ne prate tok struje, koja naglo menja pravac oko vlakana, već se sudaraju sa vlaknima prečistača i ostaju na njima pod dejstvom međumol. sila.

• Manje čestice prate tok struje i obilaze vlakna, sve dok se ne probliže nekom vlaknu na daljinu dejstva međumolekularnih sila, koje ih privuku i zadrže za vlakno.

• Najmanje čestice se kreću sa strujom, ali u struji imaju i molekularno kretanje (Brown – ovo kretanje), koje ih dovodi u blizinu vlakana, gde ih privlače i zadrže međumolekularne sile.

Veličina pora filtera je oko 5 m za direktno ubrizgavanje benzina, 10 m za indirektno ubrizgavanje.

Resurs 30.000 – 90.000 km za prečistače izvan rezervoara, za prečistače u rezervoaru najmanje 160.000 km. (Za DI i 250000km).

Prilikom zamene zbog v – forme savijanja elementa nije svejedno kako se okreće element prečistača. Ako nema asimetrije prema kućištu filtera, treba se orijentisati prema oznaci (strelica) na elementu za smer struje.

Elementi sistema visokog pritiska za direktno ubrizgavanje benzina sa zajedničkom magistralom

HDP1 pumpa visokog pritiska sa tri klipa i zajednička magistrala sa ventilom za upravljanje pritiskom i davačem visokog pritiska.

Elementi sistema visokog pritiska za direktno ubrizgavanje benzina sa zajedničkom magistralom

HDP5 sa integrisanim ventilom za regulaciju pritiska i zajednička magistrala

Elementi sistema visokog pritiska za direktno ubrizgavanje benzina sa zajedničkom magistralom

Pumpa visokog pritiska i brizgaljka

Pumpa visokog pritiska* sa tri klipa, ventil za kontrolu pritiska i brizgaljka, u preseku

Pumpa visokog pritiska* sa tri klipa

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Pumpe visokog pritiska, opšte osobine

Funkcionalni parametri za snabdevanje gorivom:

1. Protok [ccm/obr.vr , l/h]2. Pritisak [MPa, bar]

Pogon klipova/klipa

Mehanički, preko bregastog vratila:

• Ekscentrično kružno kretanje• Bregasti par

Konstruktivna Izvođenja• Klip sa tri komore bez regulacije protoka

Kontinualan maksimalan protok• Klip sa jednom komorom i regulacijom protoka

Protok prema zahtevu u visokom pritisku ili i u niskom i u visokom pritisku

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Pumpa visokog pritiska sa tri klipa i kontinualnim protokomKonstrukcija• Raspored klipova radijalan prema pogonskom vratilu sa međusobnim uglom od 120

stepeni.Klipovi potiskuju gorivo sekvencijalno i proporcionalno brzini okretanja vratila pumpe.

• Pogon vratila pumpe preko bregastog vratila motora.Kružno kretanje vratila pumpe se preko ekscentriciteta i kružnog prstena oko ekscentriciteta pretvara u pravolinijsko kretanje podizača klipova.

• Podmazivanje bregastog para je gorivom, koje ujedno i hladi pumpu.Prednost:• Oscilacije pritiska su male zbog sekvencijalnog – slednog potiskivanja goriva

prema rasporeda klipova kod okretanja vratila pumpe. Stoga nema potrebe za uređajem za ublažavanje oscilacija pritiska u usisnom vodu pumpe (attenuator).

• Povećana pouzdanost za slučaj otkaza pojedinog klipa: Pumpa radi sa preostala dvaNedostatak:• Povećana potrošnja snage - energije za pogon pumpe

Protok pumpe je kontinualan i uvek maksimalan za dati broj obrtaja. Pumpa je nužno konstruisana za maksimalne protoke, koji uzimaju u obzir i rad na punoj snazi, smanjenje gustine goriva zbog grejanja i pad efikasnosti pumpe sa habanjem.Motori najčešće ne rade na punoj snazi, što znači da se više goriva nepotrebno pumpa. Troši se energija na pumpanje i povećava potrošnja goriva motora.Gorivo odlazi prema magistrali, gde se u ventilu za kontrolu pritiska višak goriva oslobađa pritiska* do nivoa pristupnog pritiska u pumpu i šalje na usini deo pumpe VP.

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Pumpa visokog pritiska sa jednim klipom i kontinualnim protokomKonstrukcija• Jedan klip i u pumpu ugrađen ventil za kontrolu visokog pritiska.

Uređaj za ublažavanje oscilacija pritiska i sprečavanje kavitacije (isparavanja goriva) na strani usisa usled povećanja zapremine pri kretanju klipa (attenuator).

• Pogon vratila pumpe bregastim parom preko bregastog vratila motora.Kružno kretanje bregastog vratila motora se preko podizača pretvara u pravolinijsko kretanje klipa. (Isti princip kao i za otvaranje usisnih i izduvnih ventila).Broj bregova vratila tri (ili više)*. Umesto tri klipa jedan klip, ali tri brega na vratilu, koja daju tri periodična kretanja klipa pumpe za jedan obrt vratila pumpe. Sa više od tri brega umesto kliznog podizača stavlja se kotrljajni podizač, koji smanjuje trenje i inerciju bregastog para, uz nešto složeniju konstrukciju.Moguće je sinhronizovati potisni hod pumpe sa ubrizgavanjem goriva u cilindar. Ovakvom sinhronizacijom dostave i potrošnje goriva se smanjuje naprezanje vodova visokog pritiska i zapremina magistrale. Broj bregova bregastog vratila tada je isti kao i broj cilindara motora.

• Podmazivanje bregastog para je uljem.Prednost:• Jednostavnija konstrukcija smanjenjem broja komora/klipova i time jeftinija izrada.

Inače, uske tolerancije sklopova, posebno klipa i košuljice (barrel), poskupljuju izradu sa povećanjem broja klipova pumpe.

• Nema suvišne potrošnje energije – manja potrošnja goriva motora.Nedostatak:• Komplikovanija konstrukcija zbog uređaja za ublažavanje oscilacija pritiska u

usisnom vodu pumpe (attenuator).

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Ventil za upravljanje pritiskom (kontrolu pritiska)Funkcija• Propušta gorivo u vod pod visokim pritiskom prema zahtevima – načinu rada motora.

Dotok goriva u magistralu se prekida kad pritisak u njoj dostigne vrednost potrebnu za ubrizgavanje prema načinu rada motora (dostiže 150/200 bar za DI).Pri ubrizgavanju goriva u cilindar pritisak u magistrali pada. Senzor visokog pritiska daje infomaciju o pritisku u magistrali. Ventilom upravlja ECU.

HDP1: Povećanjem protočnog preseka ventil povećava dotok u magistralu, a smanjuje dotok u povratni vod prema usisnom vodu pumpe. Ventil odmerava dotok goriva u magistralu indirektno preko pritiska goriva.HDP2 i HDP5: Otvaranjem i zatvaranjem ventil određuju količinu goriva prema zahtevu (solenoid sa iglom za otvaranje i zatvaranje ventila). Kod HDP2 isporuka počinje sa zatvorenim ventilom, (odmah sabija gorivo), a prestaje sa otvaranjem ventila (obaranje pritiska). Kod HDP5 je obrnuto: Ventil je otvoren u početku hoda klipa, (nema sabijanja), a isporuka goriva počinje zatvaranjem ventila (isporučuje tokom ostatka hoda i nema obaranja pritiska po prestanku isporuke, bolje).

Položaj u sistemu• Kod troklipne pumpe (HDP1) ventil je postavljen na ulazu u magistralu (na samoj

magistrali), a kod jednoklipne (HDP2 i HDP5) ventil je ugrađen u pumpu visokog pritiska (nema povratnog voda sa magistrale).

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Uporedne osobine prve (HDP2) i druge (HDP5) generacije jednoklipnih pumpi za isporuku goriva prema zahtevu za potrošnjom

Prva generacija, HDP2• Kontinualan – stalan protok u NP, konstantan pristupni pritisak od električne

pumpe do PVP• Tri ventila:

– Ulaz goriva u pumpu (pristupni pritisak, jednosmerni ventil)– Izlaz goriva iz pumpe (visoki pritisak jednosmerni ventil)– Ventil za kontrolu pritiska

Gorivo se potiskuje prema magistrali od početka hoda potiskivanja. Ventil za kontrolu pritiska se otvara u hodu potiskivanja klipa, u trenutku kad je isporučeno dovoljno goriva na potrebnom pritisku. Gorivo potisnuto u ostatku hoda klipa se vraća posle obaranja pritiska na pristupni pritisak u usisni deo pumpe (nepovoljno). Dužinu hoda klipa od početka sabijanja do trenutka otvaranja ventila, kada se gorivo potiskuje prema usinom delu pumpe pod niskim pritiskom, proračunava ECU prema potrebnoj količini i pritisku magistrale.

• Odrivni vod za iscurelo gorivo (evaporacija)• Uređaj za ublažavanje oscilacija pritiska na usinom delu opružno –

membranskog tipa (attenuator)• Klizni bregasti par

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Uporedne osobine prve (HDP2) i druge (HDP5) generacije jednoklipnih pumpi za isporuku goriva prema zahtevu za potrošnjom

Druga generacija, HDP5• Diskontinualan - promenljiv protok NP prema zahtevu, pristupni pritisak od

električne pumpe promenljiv. Manji pristupni pritisci rezultuju manjim izlaznim visokim pritiscima i manjim potrebnim energijama za pogon pumpe.

• Dva ventila:– Ulaz goriva u pumpu (pristupni pritisak, jednosmerni ventil)

Konstrukcija je izvedena tako da je ulazni ventil ujedno i ventil za kontrolu visokog pritiska. Gorivo (višak) se prvo potiskuje prema usinom delu PVP, od početka hoda potiskivanja klipa (nema nepotrebnog sabijanja i obaranja pritiska kasnije). U ostatku hoda klipa do kraja hoda gorivo se sabija i potiskuje prema magistrali.Dužinu hoda klipa od početka do trenutka zatvaranja ventila, kada se gorivo potiskuje prema usinom delu pumpe pod niskim pritiskom, proračunava ECU prema potrebnoj količini i pritisku magistrale.

– Izlaz goriva iz pumpe (visoki pritisak, jednosmerni ventil)• Nema isparavanja goriva (zero evaporation)• Uređaj za ublažavanje oscilacija pritiska na usinom delu gasno –

membranskog tipa (attenuator).• Kotrljajni bregasti par

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Zajednička magistrala (“fuel distributor”, “common rail”)Zadaci:• Smeštanje određene količine goriva, pod promenljivim pritiskom ubrizgavanja u

zavisnosti od načina rada motora• Ravnomeran dovod goriva za sve brizgaljke na zajedničkom akumulatoru (“fuel

distributor”)• Nosač za: Brizgaljke, senzor visokog pritiska i (HDP1) ventil za upravljanje pritiskom,

ventil za rasterećenje (HDP2)Zapremina magistrale zavisi od potrošnje goriva i pritiska ubrizgavanja.Dimenzije magistrale (prečnik, dužina i debljina zidova) se biraju tako da imaju prigušno

dejstvo (dump) na promene pritisaka usled sukcesivnog ubrizgavanja.Fluktuacije i pulsacije pritiska u magistrali nastaju kod otvaranja brizgaljki (nejednako udaljenje brizgaljki po redosledu ubrizgavanja od priključka za snabdevanje magistrale gorivom), pad pritiska otvaranjem brizgaljki (gorivo izlazi iz magistrale) i porast pritiska zatvaranjem brizgaljki (PVP dodaje novu količinu goriva pod pritiskom).Fluktuacije pritiska utiču na tačnost količine ubrizganog goriva, jer brizgaljke zahtevaju konstantan pritisak za aktuelni način rada motora.Rezonanse pulsacija pritiska stvaraju zvučne talase koji se prenose preko vodova na rezervoar i odatle na vozilo. (Izbegavaju se pogodnim izborom dimenzija magistrale, tj. prečnika i dužine magistrale-akumulatora i time frekvencije prirodnih oscilacija).

Materijal magistrale je nerđajući čelik (legiran hromom), a zidovi magistrale se spajaju tvrdim lemljenjem (za vođenje mlazom 200 bar). Liveni aluminijum (“školjka” “shell”, vođenje zidom/vazduhom, 150 bar ).Bezbednost: Za pritisak direktnog ubrizgavanja od 200 bar, zajednički vod je dimenzionisan tako da izdrži (250 + 12) bar kada se otvara ventil za ograničenje pritiska.(Stepen sig.:1.25+10%)

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Brizgaljke

Zadatak:• Ubrizgavanje određene količine goriva u cilindar• Raspršivanje (“atomizacija”)• Usmeravanje goriva u prostoru za sagorevanje u zavisnosti od načina vođenja

zidom/vazduhom ili mlazom kod slojevitog punjenja.*Način rada:Elektromagnetno polje nastalo protokom struje kroz kalem stvara el.magnetnu silu koja

diže iglu sa sedišta ventila nasuprot dejstvu opruge na iglu brizgaljke. Gorivo pod dejstvom pritiska u magistrali (prenetog u brizgaljku) iz brizgaljki ulazi u cilindar.

Po prestanku protoka struje prestaje i elektromagnetna sila, pa se igla pod dejstvom opruge vraća na sedište ventila, zatvara otvor ventila i prekida ubrizgavanje.Prelazno stanje kod otvaranja i zatvaranja brizgaljki praćeno je oscilacijama igle u krajnjim položajima (položaji otvoreno/zatvoreno). Oscilacije su nepoželjne, jer remete preciznost dužine impulsa ubrizgavanja.

Brizgaljke za direktno ubrizgavanje su u osnovi iste kao i brizgaljke za ubrizgavanje u usisne vodove. Razlika je samo u pritiscima sa kojima rade: Zbog kraćeg raspoloživog vremena za direktno ubrizgavanje benzina u odnosu na ubrizgavanje u usisne vodove pritisci su veći kod direktnog ubrizgavanja.

Brizgaljka1. Ulaz goriva kroz filter2. Električni priključak3. Opruga igle4. Namotaji kalema5. Kućište6. Igla7. Sedište ventila*8. Otvor za ubrizgavanje

*Sedište ventila se može zatvarati i posredno, sfernim telom koje pritiska igla.

Postoje brizgaljke sa raznim oblicima otvora, brojevima otvora za ubrizgavanje i pravcima po kojima se gorivo ubrizgava, u zavisnosti od načina rada motora i pozicije brizgaljke na motoru

Otvoren model piezo brizgaljke

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Ventil za ograničenje pritiska i rasterećenje od prevelikog pritiska (boost and relief, jedan ventil dve funkcije)

• Funkcija bezbednostiZaštita konstrukcije od preopterećenja u slučaju otkaza ventila za upravljanje pritiskom. Ograničava pritisak goriva u magistrali prema granici izdržljivosti materijala elemenata visokog pritiska.

• Funkcija rasterećenjaUbrizgavanje prestaje za vreme prevelikog broja obrtaja (overrun), dok pumpa i dalje radi. Takođe kod gašenja toplog motora.

• KonstrukcijaMehanički sistem sa oprugom i sfernim metalnim telom za zatvaranje ventila. (Bezbednosni sistem ne sme da zavisi od napajanja električnom energijom, zbog čega je sistem mehanički.)

• Postavljanje Prva generacija HDP2 na magistrali, na (suprotnom kraju od ulaza goriva)Druga generacija HDP5 ugrađen u pumpu visokog pritiska

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Ventil za ograničenje pritiska u magistrali – funkcija rasterećenja

Posle prekida rada motora protok goriva prestaje i magistrala drži pritisak preko jednosmernog ventila na strani pumpe i zatvorenih brizgaljki na magistrali.Gorivo zatečeno u magistrali greje se toplotom iz motora.Zbog grejanja gorivo se širi, čime pritisak u magistrali raste. (Oko 1MPA = 10 bar po 1 stepenu celzijusa).

Kad pritisak goriva u magistrali naraste zbog grejanja goriva, sila pritiska na iglu brizgaljke može dostići veličinu koju elektromagnetna sila solenoida brizgaljke ne može da savlada i podigne iglu sa sedišta ventila. (Ispod igle je pritisak u cilindru, oko atmosferskog.)Brizgaljka ne može da se otvori, gorivo se ne može ubrizgati u cilindar i zagrejan motor ne može da startuje ponovo u kratkom roku.

Motor će moći da startuje kad se ohladi, time ohladi i gorivo, tako da pritisak goriva u magistrali padne do mere da elektromagnetna sila može da digne iglu sa sedišta ventila brizgaljke.

Funkcija rasterećenja omogućava obaranje pritiska u magistrali tako da solenoid može da podigne iglu brizgaljke i da se gorivo ubrizga u cilindar. Obaranje pritiska vrši se propuštanjem male količine goriva iz sistema visokog pritiska kroz ventil za rasterećenje od pritiska.

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Ublaživač oscilacija pritiska (attenuator) Jednoklipna pumpa visokog pritiska u hodu klipa pri povećanju zapremine uvlači gorivo u

prostor (komoru) iznad klipa. To stvara nagli pad pristupnog pritiska, jer jednoklipna pumpa ima relativno veliku komoru u odnosu na troklipnu, pošto snabdeva ceo motor gorivom visokog pritiska. Istovremeno pumpa niskog pritiska dodaje gorivo pumpi visokog pritiska i sa dodavanjem nastavlja i kad klip pumpe visokog pritiska prestane sa uvlačenjem goriva, do pristupnog pritiska. To podiže pritisak pristupni pritisak.Nastaju oscilacije pristupnog pritiska na ulasku u PVP.

Kod uvlačenja goriva iznad klipa nastaje pad pritiska iznad klipa*. Povratne deformacije instalacije i usisnog kola pumpe, nastale dejstvom pritiska goriva niskog pritiska, su premale da potisnu potrebnu količinu goriva u prostor iznad klipa (Mala deformacija metalnih protočnih preseka pod pritiskom goriva).Nastaje kavitacija usled inercije goriva. (Gorivo isparava, pojavljuju se zapremine u komori popunjenje parama goriva, a ne samim gorivom).

Ublaživač ima dve funkcije:1. Održavanje oscilacija pritiska u sistemu NP u zadatom intervalu oko pristupnog

pritiska2. Sprečavanje kavitacije kod uvlačenja goriva u prostor iznad klipa dodavanjem

potrebne količine goriva.

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedničkom magistralom

Ublaživač oscilacija pritiska (attenuator) Konstrukciju čini:• Komora za smeštanje goriva• Pregrada• Elastičan element*Ublaživač oscilacija – attenuator, je sastavni deo pumpe visokog pritiska, postavljen na

strani niskog pritiska (ulaz u pumpu VP). Pregradu komore za gorivo čini mebrana koja deli komoru na dva dela. Deo komore je ispunjen gorivom i nalazi se iznad klipa PVP, a deo sa druge strane membrane je prazan i u njemu se nalazi elastičan element (opruga HDP2, gas pod pritiskom HDP5).

Funkcija (način rada)Kada klip VP ne uvlači gorivo pumpa niskog pritiska puni deo komore sa gorivom u

attenuator-u, gorivo pritiska membranu i preko mebrane elastičan element, koji se sabija. Kada klip VP uvlači gorivo sila u elastičnom elementu gura membranu i potiskuje gorivo prema klipu.

Ublaživač na hodu h sabijanja opruge prima i zadržava rad A = Fc*h kod porasta pritiska, gde je sila u elast.el. u ravnoteži sa silom pritiska na membranu Fc=pS. Rad se vraća kod pada pritiska u komori klipa PVP. S je površina membrane pod pritiskom p goriva. Za silu u opruzi važi Fc= -ch, gde je c krutost opruge ili elast el. Krutost c opruge je izabrana tako da odgovara pristupnom pritisku uz uslov da je radni hod opruge kratak kako bi se membrana što manje savijala - materijal membrane minimalno zamarao i radni vek bio dug.

Primljeni rad A, nastao u hodu h opruge pri sabijanju, smešta se u vidu potencijalne energije kao sila u opruzi, a vraća se u povratnom hodu opruge**.

Funkcionalna šema direktnog ubrizgavanja benzina*