MAINSKI FAKULTET UNIVERZITETA U TUZLI

Ivan Filipovi

MOTORI I MOTORNA VOZILA

Tuzla, februar, 2006.

PREDGOVOR Ovaj udbenik namijenjen je studentima mainskih fakulteta usmjerenja: energetika, procesna tehnologija, konstruktivno mainstvo, itd., gdje se izuavaju samo osnovne karakteristike motora i vozila. Sadraj udbenika je koncipiran tako da itaoca upozna sa osnovnim principima rada, konstruktivnim karakteristikama i funkcionalnim veliinama motora sa unutarnjim izgaranjem kao i vozila sa svim bitnim sklopovima. Gradivo je podijeljeno u 23 zasebne cjeline. Privih 16 cjelina obrauje karakteristike motora, gdje spadaju: osnovni pojmovi o motoru sui, glavni dijelovi motora, ciklusi (idealni i stvarni) pokazatelji i karakteristike motora, toplotni bilans, sistemi za dobavu goriva i zraka, sistemi za podmazivanje i hlaenje motora, sistem razvoda radne materije, sistemi startovanja i paljenja motora, sistemi za preiavanje ulja, goriva i zraka, sistem nadpunjenja (prehranjivanja), itd. Preostale cjeline tretiraju glavne podsklopove i elemente vozila, i to: transmisiju (spojnica, mjenja, kardansko vratilo, glavni prenos sa diferencijalom, pogonske poluosovine i tokovi), ram i karoserija vozila, sistem elastinog oslanjanja vozila, sistem upravljanja, sistem koenja i ostali ureaji koji se mogu nalaziti na vozilu. Na kraju je dat zakljuni komentar i koritena literatura, poslije ega se nalazi poseban dodatak udbeniku koji obrauje konkretne primjere (zadataka) iz podruja motora i vozila. Svi primjeri u dodatku, ili su detaljno i postupno uraeni, ili imaju samo konana rjeenja, su zasnovani na realnim vrijednostima, odnosno konkretnim primjerima iz prakse. Ovo omoguava studentima da pored iznesenih teoretskih i praktinih saznanja o motorima i vozilima, dobiju osjeaj realnih vrijednosti pojedinih parametara motornih vozila

Tuzla, februar, 2006.

Autor

SADRAJ1. 1.1 1.2 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5 3. 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 4. 5. 5.1 5.2 5.3 5.4 6. 7. 7.1 7.2 7.3 8. 8.1 8.2 8.3 9. 9.1 9.2 9.3 10. 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 11. 11.1 11.2 Uvod Klasifikacija motornih vozila Osnovni sistemi motornog vozila Motori sa unutarnjim izgaranjem Definicija motora sui Prednosti i nedostaci motora sui Podjela motora sui Glavni djelovi motora sui Pokretni djelovi motora Osnovni nepokretni djelovi motora sui Pomoni sistemi i ureaji motora sui Idealni ciklusi motora sui Uvod Karakteristike idealnog ciklusa Uopteni idealni ciklus Specifini sluajevi idealnih ciklusa Analiza uticajnih faktora Stvarni ciklus motora sui Pokazatelji za ocjenu radnog ciklusa Indicirani parametri Meusobna zavisnost osnovnih parametara Efektivni pokazatelji Odreivanje mehanikog stepena iskoritenja Toplotni bilans motora Nadpunjeni (prehranjivani) motori osnovne karakteristike Uvod Osnovne karakteristike TK agregata Pregled sistema nadpunjenja Karakteristike motora Brzinske karakteristike Karakteristike optereenja Univerzalne karakteristike Stvaranje smjee kod oto motora Princip rada prostog (elementarnog) karburatora Podjela karburatora Instalacije sa ubrizgavanjem lakog goriva Ostvarenje smjee kod dizel motora Osnovni zahtjevi instalacije za raspriivanje goriva Osnovni razlozi rasprivanja goriva i uticaj okoline na mlaz goriva Podjela sistema za napajanje gorivom dizel motora Koncepcija uobiajenih sistema za ubrizgavanje dizel goriva Osn ovne karakteristike sistema za ubrizgavanje Usisna i izduvna instalacija Osnovni zadaci Podjela instalacija 1 1 3 5 5 5 5 13 13 23 28 30 30 30 32 36 38 42 45 45 50 51 52 53 55 55 56 59 61 61 63 64 65 68 69 71 77 77 77 79 81 84 86 86 87

11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 12. 12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 13. 13.1 13.2 13.3 14. 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 15. 15.1 15.2 15.3 15.4 16. 16.1 16.2 17. 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 18. 18.1 18.1.1 18.1.2 18.1.3 18.2 18.2.1 18.2.1.1 18.2.1.2 18.2.1.3 18.2.2 18.2.2.1 18.2.2.2 18.2.2.3 18.2.2.4

Konstrukcija instalacija Dodatni uredjaji za smanjenje emisije toksinih komponenti i buke Uredjaji za smanjenje emisije toksinih gasova Uredjaji za smanjenje buke motora Preiavanje ulja, goriva i zraka Svrha preiavanja Podjela i konstrukcija preistaa Preistai za ulje Preistai za goriva Preistai za zrak Ureaji za startovanje motora Osnovni zadatak i naini startovanja motora Elektro pokreta Startovanje motora sa sabijenim zrakom Prinudno palenje smjese Osnovni zadaci Podjela instalacija Instalacija za induktivno-baterijsko palenje Instalacija za induktivno-magnetno palenje Osnovni sistemi za paljenje Instalacija za podmazivanje Svrha Podjela instalacija Osnovne eme instalacija Osnovni elementi instalacije Instalacija za hlaenje Osnovni zadaci Podjela instalacija Osnovi dinamike drumskih vozila Kotrljanje toka Odreivanje koordinata teita vozila Stabilnost vozila pri kretanju u krivini Izbor pogonskog agregata (motora sui) Vuno-dinamike karakteristike vozila Sistemi prenosa snage i transformacije obrtnog momenta (transmisija) Spojnica Frikcione spojnice Hidrauline spojnice Elektromagnetne spojnice Mjenjai Stupnjevani mjenjai Stupnjevani mjenjai sa kliznim zupanicima Stupnjevani mjenjai sa stalno uzubljenim zupanicima Stupnjevani mjenjai sa pokretnim osama vratila - planetarni mjenjai Kontinuirani prenosnici - mjenjai Mehaniki kontinuirani prenosnici Hidraulini kontinuirani prenosnici Elektrini kontinuirani prenosnici Hidro mehaniki mjenjai

87 89 89 91 93 93 93 93 95 95 98 98 99 102 103 103 103 104 106 107 109 109 109 110 112 114 114 114 119 119 122 124 126 128 133 134 134 138 140 140 141 143 144 150 152 152 154 157 157

18.3 18.3.1 18.3.2 18.3.3 18.4 18.4.1 18.4.2 18.4.3 18.4.4 18.5 19. 20. 20.1 20.2 20.3 20.3.1 20.3.2 20.3.3 20.3.4 20.4 20.5 20.6 21. 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 22. 22.1 22.2 22.2.1 22.3 22.4 22.4.1 22.4.2 22.4.3 22.4.4 22.5 23. 24 26.

Zglobni (kardanski) prenosnici Zglobovi nejednakih ugaonih brzina Zglobovi jednakih ugaonih brzina (sinhroni zglobovi) Elastini zglobni prenosnici Pogonski (vodei) most Glavni prenos Diferencijal Poluvratila (poluosovine) Pogon na vie mostova (razvodnik pogona) Tokovi i pneumatici (gume) Ram i karoserija vozila Sistem oslanjanja (ovjeenja) Oscilatorni model sistema elastinog vjeanja motornog vozila Vrste i klasifikacija sistema oslanjanja Elastini elementi Lisnate opruge (gibnjevi) Zavojne opruge Torzione opruge (torzioni tapovi) Pneumatski i hidropneumatski elastini elementi Elementi za voenje toka Elementi za priguenje oscilovanja Stabilizatori Sistem za upravljanje vozilom Upravljaki toak Upravljaki mehanizam Prenosni mehanizam (spone) Upravljaki most i geometrija upravljakih tokova Servoupravljai Sistem za koenje vozila Gradnja konih sistema Koioni mehanizam (konica) Frikcioni koioni mehanizam u toku Sistem za aktiviranje koionog mehanizma (prenosni mehanizam) Trajni usporivai motornih vozila dopunski koioni sistem Leptir motorna konica trajni usporiva Motor-kompresor-trajni usporiva Elektro-magnetna konica trajni usporiva Hidrodinamika konica trajni usporiva Stabilnost vozila pri koenju Ostali ureaji na vozilu Zakljuak Literatura Dodatak (vjebe)

162 164 166 167 168 169 172 177 180 182 186 190 190 191 195 196 198 200 202 205 208 211 213 219 219 221 224 227 229 230 233 233 235 240 241 242 243 243 245 247 248 249 251

1 1. UVOD Dananji stepen razvoja motornih vozila karakterie se proizvodnjom vrlo irokog spektra razliitih vrsta, tipova i katergorija vozila. Savremena vozila karakteriu se velikom sloenou mehanizama, koji se nalaze na njima. Posebno treba istai automatizaciju i elektronsku kontrolu pojedinih procesa na vozilu sa ciljem zadravanja njegove konkurentnosti. U budunosti se oekuje dalji intenzivni razvoj motornih vozila uz maksimalno angaovanje strunjaka razliitog profila (mainci, elektroniari, tehnolozi, elektriari, dizajneri, ekonomisti, ekolozi, itd). Borba za opstanak vozila na tritu trai stalno poboljanje kvaliteta istog. Pojam kvaliteta vozila ukljuuje itav niz karakteristika, koje predstavljaju mjerilo za ocjenu vozila. Karakteristike vozila se mogu podijeliti u etiri grupe i to: Performanse, koje obuhvataju energetske, eksploatacione i ekoloke karakteristike vozila. Pouzdanost, koja obuhvata sve one parametre kvaliteta, koji se odnose na mogunost nesmetanog obavljanja svih funkcionalnih zadataka u toku eksploatacije u svim radnim uslovima. Ekonominost, koja obuhvata sve elemente, koji se odnose na ekonomsku opravdanost koritenja vozila. Bezbijednost, obuhvata sve one komponente kvaliteta, koje se odnose na stepen sigurnosti koritenja vozila sa stanovita vozaa, putnike i okoline u najirem smislu rijei.

Da e se u budunosti intenzivirati razvoj motornih vozila, govore sljedee injenice: Industrija motornih i prikljunih vozila je jo uvijek najvea i najjaa industrija na svijetu Motorno vozilo slui za zadovoljenje osnovnih potreba ovjeanstva Predmet najvee robne razmijene je automobil i Industrija automobila predstavlja sintezu svih tehnologija, a sa zrakoplovima i svemirskim letjelicama, automobil je najkompleksniji proizvod ovjeanstva.

1.1 Klasifikacija motornih vozila Pod motornim vozilom podrazumijeva se samohodna maina pogonjena motorom, koja se kree uglavnom po kopnu, a najee nije vezana za odreenu trajektoriju. U motorna vozila mogu se ukljuiti i maine, koje imaju mogunost da se kreu i po kopnu i po vodi (amfibijska motorna vozila specijalne namjene) kao i ona vozila, koja mogu da se kreu, kako po slobodnim tako i po unaprijed utvrenim trajektorijama (tzv. automatski voena vozila). Pored vozila obuhvaenih gornjom definicijom, u vozila spadaju i sve vrste prikljunih vozila za motorna vozila, kao i njihove kombinacije vunih vozova. Najee se kao osnovni parametar za klasifikaciju motornih vozila uzima njihova namjena. U tom smislu se motorna vozila mogu podijeliti na dvije osnovne grupe: - putna i - besputna motorna vozila, gdje se prva kreu po posebno izraenim putevima, a druga se kreu po najrazliitijim podlogama bespua. Na osnovu ue namjene i putna i besputna motorna vozila mogu da se podijele na - transportna - vuna (radna) i - specijalna vozila Transportna vozila su namijenjena za prevoz robe ili ljudi, na odreenim relacijama, pri odreenoj brzini kretanja.

2 Vuna vozila u sklopu sa nekom radnom mainom ili ureajem obavljaju odreene operacije u raznim oblastima privrede (umarstvo, graevinarstvo, komunalne djelatnosti, itd.). Ovdje je bitna vuna sila na poteznici (Fp), odnosno snaga (Pm) za pogon prikljune maine. Specijalna motorna vozila, koja imaju posebne karakteristike, ovisno od namjene (za sport, vojsku, zdravstvene, itd. usluge.) Na sl. 1 data je ema klasifikacije kopnenih vozila. Podjela motornih vozila moe da se vri i u odnosuVUNA (PRIKLJUNA) KOPNENA VOZILA SAMOHODNA (MOTORNA) sa nezavisnim (slobodnim) kretanjem MOTORNA VOZILA

sa zavisnim (vezanim) kretanjem INSKA VOZILA

PUTNA (DRUMSKA)

BESPUTNA (TERENSKA)

TRANSPORTNA

VUNA (RADNA)

SPECIJALNA

Sl. 1 ema podjele (klasifikacija) kopnenih vozila na druge znaajne parametre, kao npr.: - prema nainu ostvarenja kretanja (motorna vozila sa tokovima, motorna vozila sa gusjenicama), - prema vrsti pogona (motorna vozila sa motorom sus, sa elektropogonom, sa gasnom turbinom, itd.), itd. U okviru ECE propisa izvrena je posebna klasifikacija drumskih vozila, kako slijedi: a) Kategorija L: Motorna vozila sa manje od etiri toka. Ova kategorija se dijeli u pet podkategorija i to: - kategorija L1 su vozila sa dva toka, ija radna zapremina motora nije vea od 50 cm3, a maksimalna konstruktivna brzina nije vea od 40 km/h. - kategorija L2 su vozila sa tri toka, ija radna zapremina motora je vea od 50 cm3, a maksimalna brzina ne prelazi 40 km/h. - kategorija L3 su vozila sa dva toka, ija je radna zapremina motora vea od 50 cm3, ili je konstrukcijska (maksimalna) brzina vea od 40 km/h. - kategorija L4 su vozila sa tri toka asimetrino postavljena u odnosu na srednju podunu osu, ija je konstruktivna brzina vea od 40 km/h (motocikli sa bonom prikolicom). - kategorija L5 su vozila sa tri toka asimetrino postavljena u odnosu na srednju podunu osu, ija navea masa nije vea od 1000 kg i ija je radna zapremina vea od 50 cm3 ili im je konstrukcijska brzina vea od 40 km/h. b) Kategorija M: Motorna vozila sa najmanje etiri toka ili sa tri toka i najveom masom iznad 1000 kg, koja slue za prevoz putnika. Ova kategorija se dijeli u etiri podkategorije i to: - kategorija M1 (a) su vozila koja imaju tri ili pet vrata i bone prozore iza vozaa, a ija maksimalna masa optereenog vozila ne prelazi 3.500 kg, izraena prvenstveno za prevoz putnika, ali koja mogu biti preureena i za djelimini prevoz tereta. - kategorija M1 (b) su vozila koja su konstuisana i izraena za prevoz tereta, ali koja mogu adaptiranjem pomou nepokretnih ili obarajuih sjedita da se primijene za prevoz vie od tri putnika, a ija maksimalna masa optereenog vozila u oba sluaja ne prelazi 3.500 kg.

3 - kategorija M2 su vozila za prevoz putnika, koja osim sjedita vozaa imaju vie od 8 sjedita i ija maksimalna masa nije vea od 5.000 kg. c) Kategorija N: Motorna vozila sa najmanje etiri toka ili vozila sa tri toka ija je maksimalna masa iznad 1000 kg, a koja se u oba sluaja koriste za prevoz tereta, dijele se u tri podkategorije i to: - kategorija N1 su vozila za prevoz tereta, ija najvea masa nije vea od 3.500 kg, - kategorija N2 su vozila za prevoz tereta, ija je najvea masa iznad 3.500 kg, ali ne iznad 12.000 kg, - kategorija N3 su vozila za prevoz tereta sa najveom masom iznad 12.000 kg. d) Kategorija O: Ovdje spadaju prikolice i poluprikolice. Dijele se u etiri podgrupe: - kategorija O1 su prikolice sa jednom osovinom, ija najvea masa nije vea od 750 kg. - kategorija O2 su prikolice ija najvea masa nije vea od 3.500 kg, sa izuzetkom prikolica kategorije O1. - kategorija O3 su prikolice ija je najvea masa iznad 3.500 kg, ali ne iznad 10.000 kg. - kategorija O4 su prikolice ija je najvea masa iznad 10.000 kg. Pored ovih podjela postoje i druge vrste podjela, kao npr.: - vozila sa dva i tri toka i - vozila sa etiri i vie tokova Motorna vozila sa dva i tri toka mogu se podijeliti na: motorne dvokolice (hodna zapremina 30 50 cm3, brzina 20 40 km/h) mopede (hodna zapremina do 50 cm3, max. brzina do 60 km/h) skuteri (hodna zapremina do 175 cm3, mjenja 2 4 stepena, max. brzina do 90 km/h) motorkotai (hodna zapremina do 1300 cm3, mjenja 2 6 stepeni, max. brzina do 250 km/h) motorne trokolice za prevoz tereta do 500 kg laka vozila na tri toka za prevoz tereta (do 850 kg) ili prevoz putnika (2 6 osoba)

Motorna vozila sa etiri i vie tokova, mogu se podijeliti na: putnike automobile autobuse kombi vozila teretna vozila specijalna vozila

Ispravno izvrena klasifikacija i tipizacija vozila omoguava da se uspjeno obavi i tipizacija itavog niza sklopova i elemenata, kao i vozila u cjelini. Ovo se sve svodi na standardizaciju elemenata, sklopova, sistema, pa i itavih vozila, to ima vrlo vano mjesto u proizvodnji motornih vozila u svijetu. 1.2 Osnovni sistemi motornog vozila Neovisno od namjene i konstuktivne izvedbe kod motornih vozila se razlikuju slijedei glavni sistemi i agregati: - motor sa unutarnjim izgaranjem (pogonski agregat) - mehanizam za prenos snage (transmisija) koja se sastoji od: spojnice, mjenjaa, kardana, glavnog prenosa, diferencijala i poluosovina. - nosea konstrukcija (ram ili asija) ili samonosea konstrukcija, najee kod putnikih vozila i autobusa. - sistem kretaa (tokovi, gusjenice)

4 - sistem elastinog oslanjanja (elastini elementi, amortizeri, itd.) - sistem upravljanja - sistem koenja Pored ovih osnovnih sistema na vozilu se nalaze i drugi sistemi, kao: karoserija ili nadgradnja sistem za podmazivanja sistem za klimatizaciju (grijanje, ventilacija, hlaenje) sistem elektroopreme specijalni ureaji (kipa za samoistovar, auto dizalica za utovar, ureaj za samoizvlaenje vozila, oprema za prevoz specijalnih tereta, itd.)

Zbog boljeg uvida u razmjetaj agregata i sistema na vozilu, u nastavku se daju slike glavnih sklopova i elemenata za jedno putniko vozilo (sl. 2) i jedano teretno vozilo (sl. 3).

1 motor, 2 spojnica, 3 mjenja, 4 kardansko vratilo, 5 glavni prenos i diferencijal, 6 tokovi i gume, 7 opruge (elastini elementi), 8 upravljaki mehanizam, 9 konice, 10 karoserija, 11 rezervoar goriva, 12 izduvni sistem

Sl. 2 Glavni sklopovi i karakteristini elementi putnikog vozila

1 motor, 2 spojnica, 3 mjenja, 4 kardansko vratilo, 5 glavni prenos i diferencijal, 6 ram (asija), 7 elastini element (lisnati gibanj), 8 tokovi i gume.

Sl. 3 Glavni sklopovi i karakteristini elementi teretnog vozila

5 2. MOTORI SA UNUTARNJIM IZGARANJEM 2.1 Definicija motora sui Stroj koji preobraava bilo koji vid energije u mehaniku energiju naziva se motor. Da bi bio upotrebljiv motor mora imati pretvaranje energije iz jednog vida u drugi, pouzdano i ekonomino. Zavisno od vida polazne energije motori mogu biti: toplotni, elektrini, hidraulini, itd. Motori sa unutarnjim izgaranjem (motori sui) spadaju u grupu toplotnih motora, jer se toplotna energija sadrana u gorivu, posredstvom sagorijevanja pretvara u potencijalnu energiju radnog fluida, a zatim putem ekspanzije radnog fluida u korisnu mehaniku energiju. Pretvaranje hemijske energije, sadrane u gorivu, posredstvom sagorijevanja u potencijalnu energiju radnog fluida, mogue je izvesti ili u samom motoru ili van njega. Prema tome, postoje dvije grupe toplotnih motora prema mjestu pretvaranja hemijske energije u toplotnu i to: - motori sa spoljnjim izgaranjem (motori ssi) - motori sa unutarnjim izgaranjem (motori sui) 2.2 Prednosti i nedostaci motora sui

Da bi se istakle prednosti i nedostaci motora sui, oni se obino uporeuju sa motorima ssi. Osnovne prednosti motora sui: - Visoka ekonominost (velike vrijednosti efektivnog stepena korisnosti motora ove vrijednosti idu i preko 45%) - mala specifina masa (kg/kW), odnosno visoka specifina snaga (kW/kg) - kompaktna gradnja (mala vrijednost boks zapremine motora po snazi m3/kW) - brzo su spremni za rad nakon startovanja - koriste gorivo velikog energetskog potencijala (kJ/kg) - troe gorivo samo dok rade. Nedostaci motora sui su: - Zavisnost od kvaliteta goriva. Koriste gorivo tano propisanih osobina. Danas se rade i motori, koji mogu zadovoljiti iri spektar kvaliteta goriva. - Nesamostalan start moraju imati strani pokreta za startovanje motora (elektrostarter, runo, komprimiranim zrakom, itd.) - Ne moe se mnogo preopteretiti. - Komplikovana gradnja (sloena konstrukcija sa dosta pomonih ureaja). - Zahtijeva veu strunost osoblja za opsluivanje i rukovanje. - Ima loe ekoloke karakteristike (zagaujue materije, buka). Ove karakteristike su danas postale dominantan parametar u ocjeni kvaliteta motora. 2.3 Podjela motora sui Vrlo iroko polje primjene motora sui, uslovilo je svojim raznovrsnim zahtjevima i veliki broj vrlo razliitih tipova i konstrukcija motora sui. Zbog toga se u nastavku daje podjela motora sui prema nekim od osnovnih kriterija. a) Prema namjeni motora - Motori za transportne svrhe (automobilski, brodski, traktorski, lokomotivski, zrakoplovni, )

6 - Stacionarni motori (pogon u elektranama, pumpnim i kompresorskim stanicama, itd.) - Motori za sportska i trkaa kola i motocikle. b) Prema vrsti goriva Motori na laka tena goriva (benzin, benzol, kerozin, ) Motori na teka tena goriva ( dizel gorivo, mazut, ulje za loenje) Motori na plinovita goriva (prirodni plin, propan butan,) Motori na mijeana goriva-osnovno gorivo je plinovito, a za paljenje se koristi teno gorivo (dualfuel engine) - Viegorivi motori (koriste laka i teka tena goriva) c) Prema nainu stvaranja smjee - Motori sa spoljanjim stvaranjem smjee. Smjea se priprema prije ulaska u cilindar motora (tipian predstavnik oto motor, izuzev GDI oto motora). - Motori sa unutarnjim stvaranjem smjee. Gorivo i zrak se dovode odvojeno u cilindar, gdje se vri mijeanje (tipian predstavnik dizel motor). d) Prema nainu paljenja smjee Motori sa prinudnim paljenjem smjee sa elektrinom varnicom (oto motori), Motori sa samopaljenjem smjee (dizel motori), Motori sa paljenjem plinovitog goriva sa malom koliinom tenog goriva, Motori sa prinudnim paljenjem bogate smjee u pretkomori.

e) Prema ostvarenju radnog ciklusa Zbog lakeg praenja daljih objanjenja, ovdje e biti prikazana skica motornog mehanizma sa svim glavnim dijelovima (sl. 4). Radni prostor motora formiran je od cilindra (4), koji je sa jedne strane zatvoren cilindarskom glavom (5), a sa druge strane pomjerljivim klipom (1). Radni prostor se sastoji od: Vc kompresione zapremine i Vh hodne (radne) zapremine9 8 5 4 1 2 7 3 6

|D A B

S Vmin Vc Vh (S) Vmax=Vc +Vh SMT UMT 1 klip; 2 klipnjaa; 3 koljenasto vratilo (radilica); 4 cilindar; 5 cilindarska glava; 6 karter (donji dio motorske kuice); 7 gornji dio motorne kuice; 8 usisni ventil; 9 izduvni ventil

Sl. 4 Skica glavnog motornog mehanizma klipnog motora sa pravolinijskim oscilatornim kretanjem klipa

7 gdje se hodna zapremina rauna kao: Vh = D2 s 4 (1)

pri emu je D prenik klipa; s hod klipa. Za hod klipa vezan je i pojam takt odnosno taktnost motora. Pri radu motora, zapremina prostora iznad klipa se mijenja od minimalne (Vmin) do maksimalne vrijednosti (Vmax), pomou ega se definie jedan vrlo vaan parametar motora, tzv. stepen kompresije ():

=

Vmax Vh + Vc V =1+ h = Vmin Vc Vc

(2)

Prema ostvarenju radnog ciklusa motori se dijele na: - etverotaktne motore, gdje se radni ciklus obavi za etiri hoda klipa, ili dva puna obrtaja radilice motora, - dvotaktne motore, gdje se radni ciklus obavi za dva hoda klipa ili jedan puni obrtaj koljenastog vratila (radilice). Objanjenje pojedinih taktova za etvorotaktni i dvotaktni motor najbolje se moe vidjeti na sl. 5, gdje su dati slikovito pojedini taktovi i p v diagrami za etvorotaktni i dvotaktni motor. f) Prema nainu regulacije: - motori sa kvalitativnom regulacijom (kontrolie se dobava goriva) tipian predstavnik dizel motor, - motori sa kvantitativnom (koliinskom) regulaciom, gdje se kontrolie dobava mjeavine gorivozrak - tipian predstavnik oto motor. g) Prema brzohodosti motori se dijele na - sporohode sa cm < 6,5 m/s - srednje brzohode sa 6,5 m/s < cm < 10 m/s - brzohode motore sa cm > 10 m/s gdje je: cm = 2 s n cm srednja brzina klipa n broj okretaja radilice motora h) Prema odnosu hoda i prenika klipa (s/D) motori mogu biti: - kratkohodi s/D 1 - dugohodi s/D > 1 (3)

8

p d c a) v

p

d

c

IO UO IZ UZ

f) v

b)

g)

c)

h)

d)

i)

e)

j) UO - ulaz otvoren UZ - ulaz zatvoren dvotaktni motor f) - p - v - diagram g) - takt punjenja i ispiranja h) - takt sabijanja i) - takt irenja j) - takt izduvavanja i poetak punjenja

IO - izduv otvoren IZ - izduv zatvoren etverotaktni motor a) - p - v diagram b) - takt usisavanja c) - takt sabijanja d) - takt irenja e) - takt izduvavanja

Sl. 5 Taktovi radnog ciklusa etverotaktnog i dvotaktnog motora i) Prema nainu punjenja motori se dijele na: - usisne motor, gdje se usisavanje zraka u motor vri prirodnim putem na osnovu razlike pritiska u okolini i u radnom prostoru, koja nastaje kretanjem klipa, - nadpunjene motore, gdje se zrak prethodno sabije i kao takav dovodi u cilindar. Zrak se sabije u kompresoru, koji moe biti pogonjen od motora ili pogonjen od turbine, koju pokreu izduvni gasovi svojom ekspanzijom (tzv. turbokompresor) j) Prema nainu hlaenja postoje - motori hlaeni tenou - motori hlaeni zrakom

9 k) Prema nainu izvoenja motornog mehanizma - Motori sa krivajnim motornim mehanizmom prikazanim na sl. 4. - Motori sa ukrsnom glavom (sl. 6). Motori kod kojih se radni ciklus obavlja sa obje strane klipa5 4 1 6 8 9 7 2 3

1 klip; 2 klipnjaa; 3 radilica; 4 cilindarska kouljica; 5 gornja cilindarska glava; 6 klipna poluga; 7 ukrsna glava; 8 donja cilindarska glava; 9 zaptivka klipne poluge

Sl. 6 Skica motornog mehanizma sa ukrsnom glavom (motori dvostrukog dejstva) moraju imati zatvorenu cilindarsku kouljicu sa obje strane i ukrsnu glavu (sl. 6). Uloga ukrsne glave je osim ostvarenja pravilne kinematike klipne poluge i rastereenje cilindarske kouljice od normalnih sila. l) Prema konstruktivnom nainu izvoenja sistema razvoenja radne materije - motori sa ventilskim razvodom (sl. 4), - motori sa zasunskim razvodom (sl. 7 a) i b)), - motori sa kombinovanim ventilsko-zasunskim razvodom (sl. 7 c)).

a) zasunski razvod pomou klipa; b) zasunski razvod pomou cilindarske kouljice; c) kombinovani ventilsko- zasunski razvod

Sl. 7 Skica dvotaktnog motora sa razliitim izvedbama razvoda radne materije Kod etverotaktnih motora je uvijek ventilski razvod, a kod dvotaktnih zasunski ili kombinacija zasunsko-ventilskog razvoda m) Po broju, poloaju i rasporedu cilindara motori se dijele na: 1. Prema broju cilindara na: jednocilindrine i viecilindrine

2. Prema poloaju cilindara: vertikalni-stojei (sl. 8 a)),

10 vertikalni-visei (sl. 8 b)), horizontalni (leei) (sl. 9 a)) i kosi motor (sl. 9 b)).

Sl. 8 Skica vertikalnog stojeeg (a) i vertikalnog viseeg (b) motora

Sl. 9 Skica horizontalnog (a) i kosog (b) motora 3. Prema meusobnom rasporedu cilindara: redni (linijski motori) (sl. 8 a)), V motori (sl. 10 b)), zvijezda motori (sl. 10 a)), bokser motori (sl. 11) W motor (sl. 12)), H motor (sl. 13 a)), X motor (sl. 13 b)), linijski dvoklipni motor (sl. 14 a)), motor (sl. 14 b)), itd.

11

Sl. 10 Skica zvijezda motora (a) i V motora (b)

Sl. 11 Skica bokser motora

Sl. 12 Skica W motora

Sl. 13 Skica H motora (a) i X motora (b)

12

Sl. 14 Skica dvoklipnog linijskog motora (a) i motora (b) 4. Prema rasporedu klipova motori se dijele na: jednoklipne (sl. 4) protuklipne (sl. 14 a))

5. Prema djelovanju radnog fluida na klip: motori jednostrukog dejstva (sl. 4) motori dvostrukog dejstva (sl. 6)

6. Prema kretanju klipa: sa translatornim kretanjem klipa (sl. 4) sa rotacionim kretanjem klipa (karakteristian primjer Wankelov motor sl. 15)

1 cilindarska kouljica; 2 klip; 3 vratilo; 4 klizni leaj; 5 nepokretni zupanik; 6 zupanik sa unutranjim zubima (na klipu); 7 svjeica; 8 usisni kanal; 9 izduvni kanal; 10 udubljenje na klipu.

Sl. 15 Skica klipnog rotacionog motora (sistem Wankel) n) Klipni motori sa specijalnim izvoenjem mehanizma prenosa snage. Oni se ovdje nee detaljno objanjavati.

13 2.4 Glavni djelovi motora sui Glavni dijelovi motora sui, koji neposredno i posredno uestvuju u formiranju radnog prostora, dijele se na: - pokretne i - nepokretne dijelove Na sl. 16 prikazani su glavni dijelovi motora sui, gdje su:

Sl. 16 Glavni dijelovi motora f) Pokretni dijelovi: - klipna grupa (klip, klipni prstenovi, osovinica i osigurai) (9) - klipnjaa (10) sa velikom pesnicom (13) i kliznim leajevima u maloj i velikoj pesnici klipnjae - koljensto vratilo (radilica) (11) sa kontrategovima (12) zamajcem sa zupastim vijencem (14) i zupanikom za pogon razvodnog mehanizma (15) g) Nepokretni dijelovi : poklopac cilindarske glave (1) cilindarska glava (2) sa zavrtnjevima (3) za njeno privrenje na blok blok motora (4) zaptivka bloka motora (8) zupanik (5) donja polutka gnijezda glavnog rukavca (6) koljenastog vratila korito motora (7)

U nastavku e biti date osnove informacije o glavnim dijelovima motora. 2.4.1 Pokretni dijelovi motora

Na sl. 17 prikazani su klipna grupa i klipnjaa, kao pokretni dijelovi. Koljenasto vratilo je kasnije prikazano i objanjeno.

14

1 - osigura; 2 - osovinica; 3 - klizni leaj u maloj pesnici klipnjae; 4,5,6 - kompresioni klipni prstenovi; 7 - uljni klipni prsten; 8 - klip; 9 - klipnjaa; 10 - osigura; 11 - zavrtanj; 12 - klizni leaj dvodijelni u velikoj pesnici; 13 - poklopac velike pesnice.

Sl. 17 Pokretni dijelovi motora (klipna grupa + klipnjaa) Klip Osnovni zadaci klipa su: - da prenosi sile gasova na radilicu motora - da uestvuje u krunom procesu motora, a kod dvotaktnih motora da uestvuje i u izmjeni radne materije - da istovremeno prihvata velike promjene pritiska i temperature - da pomae pri zaptivanju kompresionog prostora - kod manjih i srednjih motora da ima ulogu ukrsne glave - da prima inercione sile od karika - da vri odvoenje odreene koliine toplote da se ne bi prekoraila najvea dozvoljena temperatura - da ima habanje u razumnim granicama - da se pomou njega utie na smanjenje specifine potronje goriva i smanjenje emisije kodljivih komponenti u produktima sagorijevanja. Klipovi se izrauju najee od legura aluminijuma. To su u prvom redu legure: Al Si 25 Cu Ni Al Si 21 Cu Ni Al Si 18 Cu Ni Al Si 12 Cu Ni

Pored legura Al, za klipove se koriste i sivo liveno gvoe i nodularni sivi liv. Osnovne prednosti legura Al su: - male inercione sile - dobar prenos toplote Loe strane su: - veliki koeficijent toplotnog irenja - opadanje mehanikih osobina sa porastom temperature.

15 Zbog toga je vrlo vano poznavati raspored temperatura po konturi klipa. Slika rasporeda temperatura na klipu, vidi se na sl. 18, gdje je na desnoj polovini slike prikazan klip oto motora, a na lijevoj polovini500 500 C

400

400

300 200 100 N

300

400

300

200

M

200 100

200

300

400 C

400

300 200 Dizel motor

100

100

- polje temperatura za klip od Al legure - polje temperatura za klip od sivog liva

200 300 Oto motor

400 C

Sl. 18 Raspored temperatura na klipovima oto i dizel motora klip od dizel motora. Pored vanosti temperatura klipa za mehanike osobine materijala, one su vane i zbog: - termikog naprezanja - zazora u sklopu klip-karika-kouljica - koksovanja ulja. U cilju odravanja nivoa temperatura na klipu, vrlo esto se uvodi i dodatno hlaenje klipa prskanjem ulja (sl. 19). Na sl. 19 a) prikazano je dodatno prskanje ulja sa unutarnje strane ela klipa, a na sl. 19 b1) i b2) prskanje ulja sa njegovim zadravanjem na klipu. Pored ovih rjeenja, klipovi se rade i dvodijelni, (sl. 20 a)) i (sl. 20 b)) a za sluaj vrlo velikih termikih optereenja klip je obloen keramikom, koja slui kao odlian izolator (sl. 20 c)).

U lj e

a)

b1)

b2)

Sl. 19 Dodatno hlaenje klipa

16

a)

b) Sl. 20 Dvodijelni klip

c)

Osovinica klipa Osnovni joj je zadatak da ostvari zglobnu vezu klipa s klipnjaom. Najee se koriste tzv. plivajue osovinice, koje slobodno plivaju u maloj pesnici klipnjae i uicama klipa. Postoje i druge konstruktivne varijante, koje e biti prikazane kod klipnjae. Oblici osovinice klipa prikazani su na sl. 21. Na sl. 21 dat

a)

b)

c)

d)

e)

Sl. 21 Konstruktivni oblici osovinice je oblik, koji se najee koristi, na sl. 21 b) je prikazana osovinica za dvotaktne motore. Zbog smanjenja teine, a zadravanja krutosti susreu se i osovinice kao na sl. 21 c) i d). Na sl. 21 e) data je osovinica koja se privruje za klipnjau. Izgled bonih osiguraa osovinice vidi se na sl.22.

Sl. 22 Izgled bonih osiguraa osovinice Osovinice se rade od elika za cementaciju i to: - za oto motore 1220 i 1221 - za dizel motore (visokolegirani elici) 4120; 4320 i 4720. Vanjska povrina osovinice treba da ima veliku tvrdou, koja se propisuje u iznosu od 62 2 HRc. Zbog vrlo malih tolerancija izmeu osovinica-uica u klipu i male pesnice klipnjae, a istovremeno velikog optereenja ovog sklopa, u novije vrijeme se pojavljuju tzv. profilisane osovinice (sl. 23).

17A 8 16 0,1 mm

Sl. 23 Profilisana osovinica klipa Uvoenjem profilisanja osovinice znaajno se smanjuju kontaktni naponi na mjestu kraj uicaosovinica. Na istoj slici (A) pokazan je lijeb prve kompresione karike izraene od nirezista (legura CuNi-sivi liv), koji je daleko otporniji na habanje od legure Al. Klipni prstenovi (karike) Osnovni zadaci karika su: - zaptivanje prostora sagorijevanja - sudjelovanje u odvodu toplote od klipa na cilindarsku kouljicu - regulacija uljnog filma za mazanje Ove zadatke klipni prstenovi obavljaju - nalijeganjem spoljnom (radnom) povrinom na zid cilindra odreenim pritiskom - udarnim nalijeganjem na bone povrine lijeba uslijed aksijalnog ubrzanja pod dejstvom sila gasova, sila trenja i sopstvene inercione sile. Klipne karike se dijele na kompresione i uljne. Konstruktivni oblici kompresionih klipnih prstenova (karika) su dati na sl. 24. Tu se susreu:

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

I)

Sl. 24 Konstruktivni oblici kompresionih klipnih prstenova

18 a) b) c) d) e) f) g) h) l) pravougaona karika minutna karika (30 do 50 nagib) jednostrano trapezna karika dvostrano trapezna karika karika sa odsjeenim gornjim rubom reverzivno - torziona karika normalna balina karika asimetrino balina karika asimetrino balina karika rastereena po pritisku.

Uljne karike najee imaju izgled kao na sl. 25.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Sl. 25 Konstruktivni oblici uljnih karika Na sl. 25 su prikazane a) b) c) d) e) f) uljna karika sa nosom uljna karika sa kanalom uljna karika sa torzionim djelovanjem uljna karika sa forsiranim struganjem ulja U fleks uljna karika Barflex uljna karika

U cilju obezbjeenja osnovne uloge - zaptivanja karika sa cilindarskom kouljicom, u karikama je prilikom izrade uveden prednapon po obimu, koji proizvodi pritisak karike na kouljicu prema sl. 26.

Sl. 26 Uobiajene forme raspodjele pritiska u karikama Na sl. 26 a) prikazan je raspored pritiska u karikama, koje se koriste kod etvorotaktnih motora (tzv. krukasti diagram), gdje je najvei pritisak na spoju karika. Na sl. 26 b) dat je raspored pritiska u

19 karikama, koje se koriste kod dvotaktnih motora (diagram pritiska u obliku jabuke), gdje je vano da je na spoju karika pritisak minimalan, da ne bi dolazilo do zapinjanja karika u kanalima u kouljici. Pravilnim prednaponom u karikama, optimalnim brojem karika i odgovarajuim zazorima karika u lijebovima dobija se i odgovarajue preporueno produvavanje gasova u karter. Produvavanje je naravno povezano i sa deformacijama same cilindarske kouljice. Tok pritiska gasova iz cilindra prema karteru, dat je na sl. 27. Na dananjem stupnju razvoja, najee se na klipu nalaze po 2 3 kompresiona klipna prstena i 1 uljni prsten. Uobiajene kombinacije klipnih prstenova date su na sl. 28,p = 100% p = 100%

p1 p2 p3 7,5 % 7,5 %

Sl. 27 Promjena pritiska gasova po visini klipa

a)

b)

c)

d)

e)

Sl. 28 Uobiajeni setovi karika po jednom klipu gdje su dati sljedei setovi karika: a) set karika za forsirane oto motore b) i c) setovi karika za dizel usisne motore d) i e) setovi karika za nadpunjene motore. Zbog nepovoljnih uslova u kojima rade, klipni prstenovi se rade od materijala, koji treba da ispuni sljedee uslove: - da ima dovoljnu mehaniku vrstou na povienim temperaturama - da bude otporan na habanje pri povienim temperaturama - da ima mali koeficijent trenja i pri povienim temperaturama i pri nedovoljnom podmazivanju. Ove uslove najbolje ispunjava sivo liveno gvoe sljedee strukture: ravnomjeran raspored grafita ASTM tip 5 6 osnovna struktura perlit-sorbit prisutnost ferita do 5 % fosfidna mrea fino rasporeena

Kod visoko napregnutih klipnih prstenova koristi se sivo liveno gvoe legirano sa: Mn, Cr, Mo, V, Cu i Ni. Zbog obezbjeenja boljih uslova klizanja, radna povrina klipnih prstenova se najee presvlai sa mreastim slojem hroma (Cr) ili molibden (Mo).

20 Koljenasto vratilo (radilica) Koljenasto vratilo (radilica) vri prenos obrtog momenta i spada u najodgovornije, najsloenije, najnapregnutije i najskuplje dijelove motora. Za pravilno funkcionisanje radilice moraju biti ispunjeni sljedei zahtjevi: - mora postojati dovoljna sigurnost da ne doe do zamornog loma materijala u cijelom radnom podruju - ne smiju postojati velike amplitude torzionih, savojnih i aksijalnih oscilacija - inerciono optereenje se mora dovesti na razumnu mjeru - deformacije radilice se moraju dovesti na minimalno razumnu mjeru. Izgled radilice, sa elementima koji na nju dolaze, dat je na sl. 29. Osnovni dijelovi koljenastog vratila

Sl. 29 Izgled (a) i skica (b) elemenata grupe koljenastog vratila su: glavni rukavci (4), ramena (5), letei rukavci (8), kanali za ulje (6). Sa radilicom obino dolaze: priguiva torzionih oscilacija (1), remenica za pogon pumpe i ventilatora (2), zupanik za pogon bregastog vratila (3), protutegovi (7), prirubnica (9), startni zupanik (10), zamajac (11), frikciona povrina (12), otvor za centriranje (13) i mjesta za zaptivanje krajeva (14) i (15). Radilica se najee radi kovanjem (sl. 30), a u novije vrijeme sve ee livenjem za male motore.

Sl. 30 Kovano koljenasto vratilo

21 Obzirom na vrlo razliite konstruktivne forme koljenastog vratila, od oblika ramena, do toga da rukavci mogu biti puni ili uplji, potrebno je obezbijediti razvoenje ulja za podmazivanje rukavaca na radilici. Na sl. 31 dato je nekoliko konstruktivnih izvedbi kanala za ulje.

Sl. 31 Konstruktivne izvedbe kanala za ulje kod punih i upljih rukavaca radilice Radilice se izrauju od elika za poboljanje. Najei materijali su: - za male i malo optereene motore: 1531 i 1731, - za vozilske manje opterene oto i dizel motore: 3130 i 3230, - za vie optereene dizel motore: 3830 i 4732, - za najoptereenije dizel motore 5430. Ovi elici su pogodni za povrinsko kaljenje rukavaca (koristi se tzv. indukciono kalenje), a rjee se koristi nitriranje radilice. U svakom sluaju termikom obradom treba obezbijediti tvrdou rukavca radilice 60 2 HRc. Klipnjaa Klipnjaa je element koji povezuje klip i radilicu motora i vri pretvaranje pravolinijskog u kruno kretanje. Sastoji se od male pesnice, tijela i velike pesnice klipnjae sa poklopcem velike pesnice. U maloj pesnici nalazi se jednodijelni klizni leaj, a u velikoj pesnici dvodijelni klizni leaj. Izgled klipnjae sa ravno razrezanom i koso razrezanom pesnicom dat je na sl. 32. Prednost se daje klipnjaama sa koso razrezanom velikom pesnicom, zbog mogunosti lake demontae klipa i klipnjae (bez vaenja radilice sa motora). Zbog velike odgovornosti klipnjae u radu motora, mora se obezbijediti visoka krutost uz minimalnu teinu iste.

22

a)

- ravno rasjeena velika pesnica

b) - koso rasjeena velika pesnica a) b) Sl. 32 Konstruktivni oblici klipnjae Zbog toga se tijelo klipnjae pravi sa vrlo razliitim formama poprenog presjeka (sl. 33). Na sl. 34

Sl. 33 Razni oblici presjeka tijela klipnjae

Sl. 34 Razni oblici male pesnice klipnjae

23 dato je nekoliko konstruktivnih rjeenja formi male pesnice gdje su rjeenja V i VI (sl. 34) sa vrstom vezom klipnjae sa osovinicom, a kod ostalih izvedbi je tzv. plivajua osovinica. Klipnjae se rade uglavnom kovanjem od visoko legiranih elika za poboljanje. Uglavnom su to hrom-molibden elici (4730 4733). 2.4.2 Osnovni nepokretni dijelovi motora

Osnovni nepokretni dijelovi motora su: blok motora (b, sl. 35) cilindarska glava (a, sl. 35) gornji dio motorske kuice (c1, sl. 35) donji dio motorske kuice (c2, sl. 35)

Na slici 35 su date uobiajene konstrukcione forme gradnje nepokretnih dijelova motora. To su:

I

II

III

IV

V

Sl. 35 Forme gradnje nepokretnih dijelova motora tunelska gradnja (I, sl. 35) gradnja blok-karter (II, III, sl. 35) gradnja blok-glava (IV, sl. 35) gradnja blok motora velikih snaga (V, sl. 35)

Blok motora Blok motora sa cilindarskim kouljicama je osnovni dio motora, koji prima i prenosi sve inercione sile na oslonce motora. Kod konstrukcije bloka treba uzeti u obzir sljedee zahtjeve: velika krutost i male deformacije minimalna teina, male dimenzije, velika kompaktnost jednostavnost mogunost jednostavne i lagane ugradnje bregastog vratila i ostalih elemenata razvoda mogunost dobrog i ravnomjernog hlaenja

U principu se razlikuju sljedee konstrukcije: - monoblok integralna cjelina bloka i cilindarskih kouljica - vodom hlaene cilindarske kouljice u bloku - suve cillindarske kouljice - zrano hlaenje cilindarske kouljice A) Monoblok Prikazan je na sl. 36. Prednosti ovog rjeenja su:

24

Sl. 36 Monoblok motora jednostavno se dobiva visoka krutost konstrukcija je relativno kompaktna.

Nedostaci rjeenja su: - svaka greka zahtijeva bacanje cijelog bloka - legiranje je vrlo skupo, a mora se legirati cio blok - pri livenju se teko dobiva eljena struktura klizne staze. Koriste se uglavnom kod malih motora. B) Mokre cilindarske kouljice Izgled takve kouljice u bloku, dat je na sl. 37.

Sl. 37 Mokre cilindarske kouljice

25 Ovo rjeenje je najee u upotrebi. Postoji mogunost zamjene cilindarskih kouljica pojedinano. Obezbjeuje se dobro hlaenje. Kod ovog konstruktivnog rjeenja postoji opasnost od pojave kavitacije uslijed smanjenja debljine zida kouljice (k). Cilindarske kouljice se rade od sivog liva. Klizna staza kouljice se oplemenjuje zbog dobivanja boljih osobina klizanja (nitriranje, fosfatiranje, mreasto hromiranje). Zavrna obrada klizne staze kouljice je honovanje, a u novije vrijeme se sve vie koristi plato honovanje, sve sa ciljem postizanja boljih kliznih svojstava. C) Suhe cilindarske kouljice Suha cilindarska kouljica sa blokom data je na sl. 38. Koriste se uglavnom u USA.

Sl. 38 Suha cilindarska kouljica Ova konstrukcija zadrava krutost i kompaktnost dosta visoko, ali ima neto loije hlaenje. Sama kouljica se radi od kvalitetnih materijala. Oteana joj je dosta zamjena (montaa i demontaa). D) Zrano hlaenje cilindarske kouljice Ima izgled kao na sl. 39. Na sebi ima rebra, koja poveavaju intenzitet hlaenja. Koristi se najee kod

Sl. 39 Zrano hlaenje cilindarska kouljica

26 motora za motocikle gdje je nastrujavanje zraka za hlaenje prirodno, a kod vozilskih motora mora biti obezbijeen poseban sistem nastrujavanja zraka (ventilator, usmjerivai zraka, itd.). Blokovi motora se izrauju livenjem od sivog liva ili od legure aluminijuma. Izgled jednog livenog bloka dat je na sl. 40.

Sl. 40 Liveni blok linijskog etverocilindrinog motora Cilindarska glava Osnovni zadatak cilindarske glave je da hermetiki zatvori prostor u kome se odvija proces sagorijevanja. Konstrukcija glave zavisi najvie od: oblika prostora za sagorijevanje rasporeda ventila, brizgaa i svjeica oblika i rasporeda usisnih i izduvnih kanala vanjskih dovodnih cijevi i smjera teenja tenosti za hlaenje

Cilindarska glava treba da ima i visoku krutost obzirom na sile koje prima. Zbog toga se vrlo esto cilindarska glava radi za svaki cilindar posebno ili za po dva cilindra, a rjee iz jednog dijela za cio motor (samo kod malih motora). Konstruktivni izgled glave mnogo zavisi od sredstva za hlaenje. Na sl. 41 date su dvije glave motora sa vodenim hlaenjem a na sl. 42 glava jednog zrano hlaenog

a)

za oto motore, b) za dizel motor sa pretkomorom

Sl. 41 Konstruktivne izvedbe glave motora sa vodenim hlaenjem

27

Sl. 42 Glava zrano hlaenog motora motora. Na sl. 43 prikazana je jednodijelna cilindarska glava sa poklopcem i odgovarajuim zaptivaem.

1 zaptiva glave; 2 glava; 3 zaptiva poklopca; 4 poklopac

Sl. 43 Glava motora sa poklopcem

28 Motorska kuica (karter) Konstrukcija kartera zavisi u najveoj mjeri od naina uleitenja koljenastog vratila. Kod tunelske gradnje, koja posjeduje najveu krutost, motorska kuica je izjedna, a koljenasto vratilo se pri montai mora pomjerati aksijalno, to je kod viecilindrinih motora veoma komplikovano. Kod motora za pogon motornih vozila karter je dvodijelan, pri emu je gornji dio izliven sa cilindarskim blokom. Donji dio kartera slui kao uljno korito i obino je presovan od lima debljine 1 do 1,5 mm i preko prirubnice ojaane spolja po cijeloj duini jaom limenom trakom privren za gornji dio kartera preko zaptivaa (sl. 44, poz. 2). Kod nekih motora donji dio kartera je odliven od livenog gvoa ili aluminijske

1 - karter, 2 - zaptivka

Sl. 44 Prostorni izgled presovanih uljnih korita (kartera) legure, pri emu je kod vozilskih motora esto orebren, ime se pospjeuje hlaenje ulja, koje se tu sliva. Na sl. 45 data je takoer jedna izvedba kartera motora.

1 karter, 2 ep za isputanje ulja, 3 zaptivka.

Sl. 45 Karter motora sa zaptivkom 2.5 Pomoni sistemi i ureaji motora sui

Pored ve pobrojanih glavnih dijelova, svaki motor mora da ima i niz pomonih ureaja i sistema, koji su neophodni za pravilan rad. U pomone sisteme i ureaje spadaju: - sistem razvoda radne materije - sistem napajanja motora gorivom - sistem paljenja - sistem podmazivanja - sistem hlaenja i - sistem za startovanje - sistemi za proiavanje goriva, zraka i ulja, itd. U nastavku, poslije definisanja osnovnih karakteristika motora bie bie objanjeni najvaniji pomoni ureaji i sistemi. Na kraju, nakon nabrojanih svih podjela motora i opisa glavnih dijelova motora, daju se dvije slike-skice oto i dizel motora (sl. 46 i sl. 47), sa nabrojeanim svim osnovnim elementima i sklopovima motora odakle se najbolje vidi razlika oto i dizel motora sa stanovita opreme i pomonih ureaja.

2921 16 15 14 1a 13 5 4 1 2 12 11 3 18 8 9 17 6 7 10 23 22 18 19 20 24 25 26 27 28 29 15,16 30

1 klip, 1a osovinica, 2 klipnjaa, 3 koljenasto vratilo, 4 cilindarska kouljica, 5 cilindarska glava, 6 blok motora, 7 karter, 8 zamajac, 9 zupasti vijenac, 10 protuteg, 11, 12 zupasti par za pogon razvoda, 13 pumpa za vodu, 14 vod za hlaenje, 15, 16 usisni i izduvni ventil, 17 bregasto vratilo, 18 ipka podizaa, 19 klackalica, 20 opruga ventila, 21 zrani filter, 22 rasplinja, 23 dovod goriva, 24 plovak, 25 difuzor, 26 usisni kolektor, 27 usisna cijev, 28 - izduvni kolektor, 29 elektrostarter, 30 svjeice.

Sl. 46 Skica oto motora16 15 18 14 1a 13 5 4 1 2 12 11 3 21 26 27 28 15,16 18 8 9 17 6 7 10 29 25 24 22 23 19 20

1 klip, 1a osovinica, 2 klipnjaa, 3 koljenasto vratilo, 4 cilindarska kouljica, 5 cilindarska glava, 6 blok motora, 7 karter, 8 zamajac, 9 zupasti vijenac, 10 protuteg, 11, 12 zupasti par za pogon razvoda, 13 pumpa za vodu, 14 vod za hlaenje, 15, 16 usisni i izduvni ventil, 17 bregasto vratilo, 18 ipka podizaa, 19 klackalica, 20 opruga ventila, 21 zrani filter, 22 pumpa visokog pritiska, 23 dovod goriva, 24 cijev visokog pritiska, 25 brizga, 26 usisni kolektor, 27 usisna cijev, 28 - izduvni kolektor, 29 elektrostarter.

Sl. 47 Skica dizel motora

30 3. IDEALNI CIKLUSI MOTORA SUI 3.1 Uvod Pretvaranje toplote u rad ili rada u toplotu ostvaruje se obino u termodinamikom procesu posredstvom radnog fluida. Kod motora sui radni fluid je smjea gasova dobivena sagorijevanjem u cilindru motora. Procesi u motoru su tako komplikovani da se uticaj pojedinih fizikalnih i hemijskih procesa na odvijanje radnog ciklusa motora u cjelini moe veoma teko obuhvatiti raunom. Prenos toplote sa gasa na zidove cilindra i obrnuto za vrijeme procesa sabijanja, sagorijevanja, irenja i izmjene radne materije, procesi pri isparavanju goriva i stvaranju smjee kod oto motora ili proces ubrizgavanja goriva kod motora, procesi pri upaljenju i sagorijevanju, utiu u odreenoj mjeri na cjelokupni radni ciklus motora. Ovi uticaji se uglavnom mogu analizirati dijeljenjem radnog ciklusa na pojedine faze te posebnom analizom svake od faza. Kao veoma cjelishodno sredstvo pokazalo se uvoenje uporednih ciklusa. Pomou uporednih ciklusa motora, na koje se moe primjeniti egzaktan proraun, mogu se izraunati osnovna svojstva radnog ciklusa. Ovako izraunata svojstva radnog ciklusa su veoma slina stvarnom radnom ciklusu motora. Na taj nain se moe proraunom odrediti uticaj promjena pojedinih parametara na osnovne veliine radnog ciklusa motora. Npr. mogu se raunom odrediti uticaj stepena sabijanja, koeficijenta vika zraka i maksimalnog pritiska sagorijevanja na radni ciklus motora i tako dobijeni rezultati porediti sa eksprimentalnim rezultatima. Zato je neophodno pretpostavke uporednih ciklusa tako pribliiti stvarnom procesu u motoru koliko to doputa jednostavnost i preglednost prorauna. Rezultati su utoliko pogodniji za procjenu stvarnih procesa u motoru ukoliko uporedni ciklus bolje odgovara stvarnom radnom ciklusu motora i to se tanije uzimaju u obzir fizikalni zakoni. U zavisnosti od uinjenih pretpostavki za proraun mogu se uporedni ciklusi motora podijeliti na: - termodinamike (idealne) - poluteorijske i - stvarne. Analiza termodinamikih ciklusa motora sa unutranjim izgaranjem vri se u cilju procjene njihove savrenosti kroz analizu ekonominosti ciklusa. Pored niza uproenja, kod termodinamikog ciklusa su najznaajnija da se ciklusi obavljaju sa jednom te istom koliinom radne materije, te da je radno tijelo idealan gas iji sastav ostaje isti u toku cijelog ciklusa. Zato se ovakvi ciklusi esto nazivaju i idealni ili teorijski ciklusi motora sui. Poluteorijski ciklusi uslonjavaju problematiku analize uvoenjem pojma stvarnih gasova (zrak, smjea i produkti sagorijevanja), iji se sastav mijenja u toku ciklusa zavisno od motora i kod istog motora mijenja se u zavisnosti od reima rada motora (optereenja). Stvarni ciklus u mnogome odstupa od termodinamikog i poluteorijskog ciklusa, jer postoje mnogi uticaji, koji se kod stvarnih ciklusa uzimaju u obzir. Osim termodinamikih procesa u cilindru motora uzimaju se u obzir i gasodinamiki procesi u usisnim i izduvnim cjevovodima i ventilima. Kod stvarnog motora i termodinamiki i gasodinamiki procesi su nestacionarnog karaktera. Zato se za matematiku interpretaciju ovih procesa u motoru primjenjuju sistemi obinih i parcijalnih diferencijalnih jednaina. Rjeavanje ovako sloenog sistema jednaina omoguavaju numerike metode prorauna uz primjenu raunara. Pri tome je prvi put omogueno da se procesi u motoru optimiziraju raunskim putem varirajui uticajne konstruktivne parametre. Istovremeno su sa primjenom raunara za proraun stvarnog radnog ciklusa motora mnoge pribline metode prorauna izgubile na znaaju. 3.2 Karakteristike idealnog ciklusa

Da bi se sa energetskog stanovita mogli naelno ocjenjivati pojedini vidovi radnih ciklusa, koji se ostvaruju u motorima sui, kao i analizirati gubici, koji onemoguavaju potpuno iskoritenje dovedene toplotne energije, uveden je pojam teoretskog ili idealnog ciklusa. Za ovaj ciklus je karakteristino da jedini vid toplotnih gubitaka predstavlja odvoenje toplote hladnom rezervoaru radi dovoenja radnog

31 fluida u stanje, koje je postojalo na poetku ciklusa. Pored ovoga, pri analizi idealnog ciklusa pretpostavlja se jo i sljedee: u toku ciklusa u cilindru se nalazi radni fluid nepromjenljive mase i sastava radni fluid je idealan gas (specifina toplota ne zavisi od temperature i pritiska, a unutranja energija je funkcija samo temperature) sagorijevanje je zamijenjeno dovoenjem toplote, a izmjena radnog fluida odvoenjem toplote izmjena radnog fluida se odvija bez enegetskih gubitaka procesi sabijanja i irenja se odvijaju bez izmjene toplote sa okolinom, a promjene stanja radnog fluida su izentropske.

Idealni ciklus motora se moe ematski prikazati kao na sl. 48, gdje je : M motor; G gorivo; A

Sl. 48 ematski prikaz idealnog ciklusa atmosfera; Q1 ukupno dovedena koliina toplote iz goriva G (q1 dovedena koliina toplote po 1 kg radne materije); Q2 ukupno odvedena koliina toplote u atmosferu (q2 - odvedena koliina toplote po 1 kg radne materije); L dio energije, koji se od motora odvodi u vidu korisnog rada ( l specifina vrijednost korisnog rada po 1 kg radne materije). Pokazatelji ciklusa su: a) Termodinamiki stepen korisnosti (t) karakterie iskoritavanje dovedene toplotne energije. Za idealni ciklus i 1 kg radne materije ovaj stepen se definie kao:

t =

q1 q 2 q2 l = =1 q1 q1 q1

(4)

b) Kao mjera iskoritenja hodne zapremine motora (Vh) moe da poslui srednji pritisak ciklusa (pmt) ili specifian rad po jedinci hodne zapremine motora, definisan za 1 kg radne materije kao:p mt = l l L = = v max v min v h V h

(5)

gdje je: - maksimalna specifina zapremina motora sui v min [ m / kg ] - minimalna specifina zapremina motora v h [ m 3 / kg ] ; V h [ m 3 ] - hodna zapremina motora, specifina i stvarnav max [ m 3 / kg ]3

Rad ( l ) se moe definisati za bilo koji zatvoreni ciklus kao:l=

pdv

(6)

32 Pritisak pmt (srednji termodinamiki pritisak) predstavlja neki fiktivni konstantni pritisak, koji bi djelujui na povrinu ela klipa, u toku jednog hoda klipa izvrio isti rad, koji se inae ostvari za itav ciklus pri promjenjivom pritisku u cilindru. c) Srednja temperatura ciklusa za 1 kg radne materije definie se kao:

Tmt =

l l = s s max s min

(7)

gdje je: smax [J/kg K] - maksimalna entropija ciklusa po 1 kg radne materije smin [J/kg K] - minimalna entropija ciklusa po 1 kg radne materije d) Maksimalni pritisak ciklusa (pmax= pz) slui za ocjenu mehanikih optereenja dijelova motora e) Maksimalna temperatura ciklusa (Tmax=Tz), kao i temperatura Tmt su pokazatelji termikog optereenja dijelova motora, koji su u dodiru sa radnim fluidom Neki autori, kod analize idealnih ciklusa koriste i razne druge pokazatelje, kao npr.: 3.2.1

odnos pmax/ pmin odnos Tdov/Todv, gdje je Tdov =Uopteni idealni ciklus

q1 s max s min

, itd.

Uopteni idealni ciklus prikazan je u p v i T s diagramu na sl. 49, gdje se dovoenje i odvoenjep q 1 z q 1 c pv = const T p z = const c v = const lc lc b q 2 vc a va vf = v b f q 2 v a pk = const a b s Tmt v b = const pml f z b z z

pk

Sl. 49 p v i T s diagram uoptenog idealnog ciklusa' " " toplote vri po izohori ( q1' , q 2 ) i izobari ( q1 , q 2 ). Za pojedine parametre ciklusa vae sljedee relacije:

-

stepen sabijanja (stepen kompresije), kod klipnih motora, rauna se kao:=va vc

(8)

33 stepen poveanja pritiska u toku dovoenja toplote pri v = const , rauna se kao:

=-

pz pc

(9)

stepen prethodnog irenja pri dovoenju toplote kod p = const. dat je izrazom=vz vc

(10)

-

stepen prethodnog sabijanja u toku odvoenja toplote pri p = const. rauna se kao:' =vb v f = va va

(11)

-

stepen irenja predstavlja donos:=vb vb va vc ' = = v z va vc v z

(12)

-

dovedena (q1) i odvedena (q2) toplota po 1 kg radne materije raunaju se kao:" q1 = q1' + q1 = c v (T z ' Tc ) + c p (Tz Tz ' ) ' " q 2 = q 2 + q 2 = c v (Tb T f ) + c p (T f Ta )

(13) (14)

Sve veliine u ciklusu (Tc, Tz, Tz, Tb, Tt, pc, pz, ) mogu se izraziti preko veliine poetnog stanja pa, Ta, va i bezdimenzionih parametara , , , i . Npr. ako se temperature u karakteristinim takama krunog ciklusa izraze preko poetnog stanja (Ta), dobiva se: iz adijabatske (izentropske) promjene stanja a c (sl. 49), dobiva se: pav a = pcv c T a v a - 1 = T c v c -1

odnosno (15)

odakle je:v Tc = T a a v c -1

= T a -1

(16)

-

iz jednaina stanja za take c i z (sl. 49) dobiva se:p c v c = R Tc p z' v z' = R T z'

(17)

odakle je:Tz ' = pz ' Tc = Tc = Ta -1 pc

(18)

34 na osnovu izobarne promjene stanja z z, uz koritenje jednaina stanja:p z' v z' = R T z' p z v z = R Tz

(19)

dobiva se:T z = T z' vz = T z' = Ta v z' -1

(20)

-

koristei izentropsku promjenu stanja u intervalu z b (sl. 49) moe se pisati: T z v z -1 = Tb v b -1

(21)

odnosno:v Tb = T z z v b -1

1 = Tz

-1

= Ta

-1

'

-1

1 = Ta '

-1

K

(22)

-

temperatura u taki f (sl. 56) se odreuje iz jednaine stanja kao:p a v a = R Ta p f v f = R T f

(23)

odakle je:T f = Ta vf va = Ta '

(24)

Koristei jednaine (16), (18), (20), (22) i (24) kao i relacije za specifine toplote cp i cv:c p cv = R cp cv =

(25)

odakle je:

cp =cv =

R -1R -1

(26) (27)

izrazi za dovedenu i odvedenu toplotu mogu se napisati kao:q1 = R R Ta 1 ( 1) + Ta 1 ( 1) = 1 1 R Ta 1 [( 1) + ( 1)] = 1

(28)

35 R R q2 = Ta ( '1) = Ta ' 1 + 1 ' 1 R Ta ' 1 + ( '1) = ' 1 Koristei prethodne jednaine izraz za termodinamiki stepen korisnosti (4) se moe napisati: ' 1 + ( '1) ' q2 t = 1 = 1 1 q1 [( 1) + ( 1)]

(29)

(30)

Na slian nain moe se napisati i izraz za srednji termodinamiki pritisak (5). Ovdje treba jo samo izraziti veliinu razlike zapremine: v max v min kao:v max v min = v b v c = v a ' va

= va

' 1

(31)

Sada se izraz (5) pie kao: 1 [( 1) + ( 1 )] ' 1 ( ' 1 ) ' = ' 1 va

p mt =

q1 q 2 vb vc

=

R Ta -1

pa 1 = [( 1) + ( 1)] ' 1 ( '1) ' 1 '1 Srednja termodinamika temperatura, je saglasno ranijoj definiciji (7) sada: Tmt = q1 q 2 sb s a

(32)

(33)

Razlika entropije sb - sa (sl. 49) se moe izraziti kao: s b - s a = (s b - s f ) + (s f - s a ) odakle se desna strana izraza (34) moe sraunati kao:Tb

(34)

s b - s f = cv

Tf

T dt = cv ln b = cv ln T Tf '

(35)

36Tf

sf - sa = c p

Tf dt = c p ln = c p ln ( ') T Ta Ta

(36)

odnosno: R sb - sa = ln ( ') + ln ' -1 Koristei izraz (37) i izvedene izraze za q1 i q2 moe se konano napisati izraz za Tmt kao: (37)

Tmt = Ta

1

[( 1) + ( 1)] ' 1 ( '1) ' ln( ' ) + ln '

(38)

3.2.2

Specifini sluajevi idealnih ciklusa

a) Dovoenje i odvoenje toplote pri v = const.

Idealni ciklus kod koga se dovoenje toplote (sagorijevanje) vri po izohori, tj. trenutno, najvie se pribliava stvarnom ciklusu sa prinudnim paljenjem homogene, prethodno pripremljene smjee (oto motor). Diagram p v i T s ovog idealnog ciklusa je prikazan na sl. 50.p z m = 1 kg p.v q1 b c bq 2 a vh v c a s = const z T

r vc

Sl. 50 Idealni ciklus sa dovoenjem toplote pri v = const . (oto ciklus) Za ovaj sluaj su karakteristine veliine

= = ' = 1Na osnovu ovoga karakteristini parametri ciklusa se dobivaju kao:

t = 1

1 1 = 1 1 ( 1) 1

(39)

37 p mt = pa 1 ( 1) ( 1) = 1 1 pa pa -1 = ( 1) ( 1) = t ( 1) 1 1 1 1

[

]

(40)

Tmt = Ta

1 ( 1) ( 1) ( 1) ( -1 1) = Ta ln( ) ln( )

(41)

b) Ciklus sa dovoenjem toplote pri p = const. Ovom ciklusu se pribliava ciklus stvarnog sporohodog motora sa samopaljenjem smjee, kod koga se gorivo ubrizgava u cilindar pomou sabijenog zraka. Ovakvi motori se danas vie ne proizvode. Odvoenje toplote se vri pri v = const . Ovakav idealni ciklus prikazan je na sl. 51. Kod njega sup c q1 z m = 1 kg p.v = const b T z

c b r vc vh a v q2 a s

Sl. 51 Idealni ciklus sa dovoenjem toplote pri p = const. (dizel ciklus) veliine:

=1 ' = 1Na osnovu ovoga mogu se napisati izrazi za karakteristine veliine ciklusa kao:

t = 1 p mt =

1 1 ( 1)

(42)

pa p 1 ( 1) ( 1) = a t ( 1) 1 1 1 1

[

]

(43)

Tmt = Ta

1 ( 1) ( 1) ln( )

(44)

c) Ciklus sa kombinovanim dovoenjem toplote pri v = const i p = const (Sabathee ciklus)

Ovo je idealni ciklus, koji najvie odgovara ciklusu savremenih dizel motora sa ubrizgavanjem goriva. Prikazan je na sl. 52. Odvoenje toplote se i ovdje vri pri v = const.

38p q 1 z z m = 1 kg q1 c c b p.v = const zvc = n co

Tst

z pz = c

onstst

con va =

b q2 a vc vh v

a a

q2 b s

Sl. 52 Idealni ciklus sa kombinovanim dovoenjem toplote Kod ovog ciklusa je ' = 1 . Karakteristini parametri ciklusa su:

t = 1

1 1 [( 1) + ( 1)]

(45)

p mt =

pa 1 [( 1) + ( 1)] 1 1 1

{

(

)}

(46)

odnosno:p mt = pa t [ 1 + ( 1)] 1 1

(46a)

iTmt = Ta

1 [( 1) + ( 1)] ( 1) ln( )

(47)

Idealni ciklusi nadpunjenih motora nee se ovdje posebno analizirati.3.2.3 Analiza uticajnih faktora

a) Ciklus sa dovoenjem toplote pri v = const. (oto ciklus)

Na osnovu izraza (39) vidi se da je za ovaj sluaj, termodinamiki stepen korisnosti zavisi samo od stepena sabijanja () i kvaliteta radnog fluida izraenog preko eksponenata (za idealan zrak = 1,41). Tok promjene vrijednosti t dat je na sl. 53, odakle se vidi da poveanje stepena sabijanja () iznad 18 nije vie ekonomino, jer je prirast t neznatan, a zbog visokih temperatura i pritisaka, pri kojima bi se ciklus odvijao, javljaju se visoka mehanika i termika optereenja. Osobine tenog goriva (benzina), prvenstveno njihova antidetonaciona svojstva su kod motora sa prinudnim paljenjem prepreka da bi se stepen sabijanja proizvoljno poveavao. Kod stvarnih motora sa prinudnim paljenjem stepen sabijanja se kree maksimalno 11 do 12. Sa sl. 53, iako se odnosi na idealne cikluse, se vidi jasno prednost dizel motora u odnosu na oto motor, sa stanovita ekonominosti, odnosto stepena iskoritenja.

39t0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 dizel motor oto motor v = const.

=1,41p = const.

Sl. 53 Zavisnost t kod idealnog ciklusa pri v = const. i pri p = const., od stepena sabijanja (), za vrijednost = 1,41 Odstupanje procesa od idealnih uslova vodi daljem smanjenju t, to je prikazano na sl. 54. Ako radnit0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 4 5 6 7 8 9

= 1,41 = 1,35 = 1,30 = 1,25

Sl. 54 Zavisnost t idealnog ciklusa pri dovoenju toplote kod v = const., od stepena sabijanja () i odnosa specifinih toplota () fluid nije idealan gas, a procesi sabijanja i irenja nisu vie izentropski, dolazi do smanjena odnosa specifinih toplota , a saglasno tome smanjuje se i t, zbog nastanka dodatnih energetskih gubitaka. Na pritisak pmt, osim stepena poveanja pritiska () i stepena sabijanja () direktno utie i pritisak na poetku takta sabijanja pa (usisni ili nadpunjeni motori) i izloitelj . Na sl. 55 dat je tok promjene pmt u funkciji i za pa =const. i = const. Poveanje dovedene toplote, ovdje izraene preko , utie direktno na pmt. Porast je ogranien mehanikim osobinama materijala dijelova, koji dolaze u dodir sa radnom materijom.

40p mt[bar]

12

= = 122

==

8

=4

0

3

1086

4

4

Sl. 55 Uticaj veliina i na srednji termodinamiki pritisak (pmt) oto motora (pa = 1 bar, = 1,41)b) Ciklus sa dovoenjem toplote pri p = const. (dizel ciklus)

Termodinamiki stepen iskoritenja ovog ciklusa zavisi od koliine dovedene toplote, tj. od optereenja. Ovaj uticaj je izraen stepenom irenja . Sa poveanjem smanjuje se efektivni hod irenja, pa prema tome i korisni rad, a time i t, odnosno ekonominost motora. Sa poveanjem stepena sabijanja () pri = const. t u poetku vrlo brzo raste, a pri vrijednostima > 22, dalje poveanje stepena sabijanja u termodinamikom smislu vie nije ekonomino. Poveanje doprinosi poveanju pritiska i temperature to se nepovoljno odraava na mehaniko i termiko optereenje motora. Na sl. 56 data je zavisnost t,t = 1 ,4 1

0,65 0,60 0,55 0,50

= 16=1 ,3

= 14 = 12 = 16

0,45 0,40

= 14 = 12

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Sl. 56 Zavisnost t ciklusa sa dovoenjem toplote pri p =const. od , i (pa = const) , i odnosa specifinih toplota (). Analiza pokazuje da pri malim vrijednostima raste t. Poveanje , i pa dovodi do poveanja pmt, tj. do boljeg iskoritenja hodne zapremine. Pritisak pmt zavisi, osim toga, i od koliine dovedene toplote tj. od pri = const. Ova zavisnost je data na sl. 57.

41

p mt 17[bar] 15

= 22 = 20 = 18 = 16

13

11

9

7

5

3

1,5

2

2,5

3

Sl. 57 Zavisnost pmt kod idealnog ciklusa sa dovoenjem toplote pri p = const, od i (pa = 1 bar)c) Ciklus sa kombinovanim dovoenjem toplote

Termodinamiki stepen korisnosti, kod ovakvog ciklusa zavisi od , i . Naelno se moe rei da vrijednost t raste sa poveanjem i smanjenjem , i obratno. Uticaj veliina i na srednji termodinamiki pritisak u motoru ( = const. i =1,41) dat je na sl. 58,

Sl. 58 Uticaj i na pmt, kod ciklusa sa kombinovanim dovoenjem toplote pri = 16, = 1,41 i pa = 1 bar odakle se vidi da sa porastom raste pmt, a sa porastom vrijednost pmt opada.

424. STVARNI CIKLUS MOTORA SUI

Stvarni ciklus motora se znatno razlikuje od teorijskog (termodinamikog) i poluteorijskog ciklusa. Na odstupanje stvarnog ciklusa od teorijskog utie niz faktora, od kojih su najznaajniji: - radni fluid nije idealni gas, nego je smjea zraka, goriva i produkata sagorijevanja - u toku odvijanja procesa vri se prenos toplote sa radnog fluida na okolinu i obrnuto, to znai sabijanje i irenje nije izentropski proces - vrijeme sagorijevanja je konano i produava se u taktu irenja sa dodatnim oslobaanjem dijela toplote. Zbog visokih temperatura radne materije u toku sagorijevanja dolazi do intenzivnog prenosa toplote sa radnog fluida na zidove cilindra - usljed nepotpunog sagorijevanja i pojave disocijacije (iznad 1500 K nastupa razlaganje pojedinih vieatomnih gasova-disocijacija, to je praeno utrokom izvjesne koliine toplote) dolazi do manjeg iskoritenja toplote - uslijed proputanja gasa u korito motora, strujnih otpora, prisustva zaostalih gasova u cilindru motora i dr. dolazi do gubitaka to takoer utie na smanjenje korisnog rada koji daje motor - pri izmjeni radne materije nastaju energetski gubici uslijed strujnih otpora, prenosa toplote, prisustva zaostalih gasova u cilindru, itd. Iz izloenog logino slijedi da je stepen iskoritenja stvarnog ciklusa manji od stepena iskoritenja idealnog ciklusa. Opti analitiki izraz za stepen iskoritenja ne moe se zbog sloene funkcionalne zavisnosti specifinih toplota gasa od temperature i sastava nai u zatvorenom obliku. Zato se mora analizirati svaki proces posebno (izmjena radne materije, sabijanje, sagorijevanje i ekspanzija), te na osnovu analize i uporednih ispitivanja doi do osnovnih karakteristika pojedinih procesa i njihovih uticajnih prametara. Ako se ele obuhvatiti svi glavni faktori stvarnog radnog ciklusa procesi se ne mogu kao kod idealnih ciklusa opisati algebarskim jednainama, ve se problem svodi na sloeni sistem nelinearnih diferencijalnih jednaina, koje opisuju procese u cilindru i procese u usisnim i izduvnim cjevovodima. Primjena savremenih raunara otvorila je novu eru istraivanja motora, meutim i ovdje tanost rezultata zavisi od uzetih predpostavki i od sloenosti modela za cilindre, usisni i izduvni sistem. Zbog toga je vano za odreene analize izabrati najprihvatljiviji model. Stoga se u praksi esto kombinuje analitiki metod sa eksperimentalnim ispitivnjima u cilju dobivanja prihvatljivog modela, te se na osnovu toga vre korekcije i poboljanja na stvarnim motorima. Parametri koji karakteriu odvijanje pojedinih procesa u ciklusu kao i ciklusa u cjelini mogu se dobiti eksperimentalnim putem snimanjem indikatorskog diagrama. Indiciranje motora daje grafii prikaz promjene pritiska u cilindru u zavisnosti od promjene zapremine, (diagram p V), ugla koljena koljenastog vratila (diagrama p ) ili vremena (diagram p ). Za snimanje indikatorskih diagrama pritiska koriste se piezokvarcni davai pritiska, pretvarai signala, pojaavai signala i registratori (osciloskop, raunar sa akvizicijom snimljenih podataka, itd). Tipini primjer indikatorskog diagrama etverotaktnog motora u diagramu p dat je na sl. 59, i to samo dio diagrama u okolini procesa sabijanje sagorijevanje ekspanzija. Ovaj diagram je skinut sa ekrana osciloskopa. Ovaj diagram se moe uz pomo kinematskih veza puta klipa i dimezija klipa prevesti u diagrame p i/ili p V. Na sl. 60 dat je diagram p etvorotaktnog motora za cio proces 0 720 KV (dva kruga radilice motora). Detaljna analiza ovog proces nee se ovdje izuavati.

43

SMT

pPritisak (p)

10 [bar]

Atmosferski pritisakvrijeme ()

5,8 [ms] = 76,5 [/sek] n = 2200 [/min], n = 36,6 [/sek]

Sl. 59 Indikatorski diagam etverotaktnog motora

p [bar]

SMT 60 120 UMT 240 300 SMT 420 480 UMT 600

[KV]

SMT

Sl. 60 Indikatorski diagram etvorotaktnog motora Pored diagrama p , p , datih na sl. 59 i sl. 60, a na sl. 61 i sl. 62 dati su uporedni p V diagram etvorotaktnog oto i dizel motora, sa detaljima diagrama razvoda radne materije, gdje su sljedee oznake vane: taka 1. do taka 2. proces usisavanja, taka 3. poetak procesa sagorijevanja, taka 4. do taka 5. proces izdavanja.

44

p [bar]

p z z [bar]

c c

c3 4 1 2 po

c 3V [m3 ]

5 SMT0 153045 60

a75 90 105120135 180

UMT

KV

r1 5 Vc

4 a Vh Va 2

p

r

po V [m 3] pa

p [bar]p [bar]

4

* Vh r 5 Vc Vh Detalj razvoda 1 2 a pa po

V* h r 1 po 5

4

2

Detalj razvoda

Sl. 61 Indikatorski diagram etvorotaktnog oto motora

Sl. 62 Indikatorski diagram etvorotaktnog dizel motora

455. POKAZATELJI ZA OCJENU RADNOG CIKLUSA

Pokazatelji za ocjenu radnog ciklusa motora se u principu dijele na unutranje, odnosno indicirane, koji se odreuju na osnovu podataka i rezultata mjerenja veliina, koje definiu pojedine procese ili itav radni ciklus u radnom prostoru motora, te na efektivne pokazatelje, koji se odnose na veliine izmjerene ili proraunate na stanje na spojnici koljenastog vratila motora. Razlike u veliini ovih dvaju grupa parametara nastaju uslijed prenosa energije iz radnog prostora motora na njegovu spojnicu i formuliu se funkcijama prenosa mehanike energije. U fizikalnom smislu ovi parametri u sutini definiu: - energetsku kompaktnost motora, u smislu iskoritenja njegove radne zapremine, i - ekonominost motora, s obzirom na iskoritenje dovedene toplotne energije Osim ovih pokazatelja, za ocjenu motora su veoma vani i pokazatelji, koji su u vezi sa zatitom ovjekove sredine: - buka, koju motor emituje prilikom rada, - sastav izduvnih gasova, posebno koncentracija i ukupna emisija pojedinih tetnih komponenti, i - miris izduvnih gasova5.1 Indicirani parametri a) Srednji indicirani pritisak

Na slici 63 prikazan je indikatorski dijagram, dobiven ispitivanjem etverotaktnog oto motora (usisna varijanta) u koordinatama p-V. Povrina ograniena krivom a, a, f , k, z1, l, b1, a ekvivalentna je indiciranom radu +Li, povrina b1, r, a, b1 ekvivalentna je radu, koji se troi na proces izmjene radnep z

z1

raunski dijagram stvarni (indikatorski) dijagram

k 0,85 pz

pv n2 = const pv n1 = const

c

f r vc vh va po a

l

b b1 a

v

Sl. 63 Proraun i indikatorsi diagram etvorotaktnog usisnog oto motora materije odnosno Lizm. Prema tome, indicirani rad cjelokupnog ciklusa etvorotaktnog motora bez nadpunjenja, kada se uzme u obzir gubitak rada na proces izmjene radne materije je:Li , uk = Li Lizm

(48)

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

(49)

' gdje su p im - srednji indicirani pritisak bez uzimanja u obzir rada, koji se troi na izmjenu rada materije, a p izm pokazuje specifini rad po jedinici zapremine, koji se gubi na proces izmjene radne materije. Srednji indicirani pritisak se izraunava iz snimljenog indikatorskog dijagrama odreivanjem navedenih povrina, koje se pomou odgovarajue razmjere pretvaraju u rad. Iz slike 63 vidljivo je da procesi prikazani indikatorskim dijagramom nemaju skokovite prelaze (kao u idealnim, odnosno proraunskim ciklusima), nego se linije pojedinih procesa (faza ciklusa) nastavljaju jedna na drugu blagim zaobljenim prelazima. Karakter prelaza od jednog procesa ka drugom zavisi od mnogo inilaca, te ga nije mogue obuhvatiti analitikim proraunom. Prilikom odreivanja parametara motora obino se formira proraunski indikatorski dijagram za dva hoda (sabijanje i irenje), a gubici rada na izmjeni radne materije pridodaju se mehanikim gubicima ili se posmatraju odvojeno. Zaokruenja dijagrama na mjestima prelaza od jednog procesa na drugi izvode se na osnovu podataka dobijenih ispitivanjem slinih motora. Kod prorauna ova zaokrugljenja definiu se posebnim koeficijentom. Na slici 64 dati su proraunski (nezaokrugljeni) a c z z b a i stvarni a c c z l b r a indikatorski dijagrami ciklusa sa kombinovanim dovoenjem toplote.

p z z z raunski dijagram stvarni (indikatorski) dijagram pv n2 = const c pv n1 = const

c

c

ii

p im

l r a

b b a v

Sl. 64 Proraunski i indikatorski diagrami etverotaktnog usisnog dizel motora Za priblini proraun srednjeg indiciranog pritiska se koristi proraunski (nezaokrugljeni) indikatorski diagram. Rad ciklusa Sabate, prema slici 64, sastoji se iz rada irenja gasova od Vz' do Vz pri pz = const, plus rad politropskog irenja sa srednjim eksponentom politrope n2 od stanja pz, Vz do stanja pb, Vb minus rad, koji se troi na kompresiju (na politropsko sabijanje) sa srednjim eksponentom politrope n1, od stanja pa, Va do stanja pc, Vc. Ako se sa L'i oznai cjelokupan rad ciklusa bez uzimanja u obzir gubitaka rada na izmjenu radne materije, onda se prema oznakama na sl. 64, rad nezaokrugljenog indikatorskog diagrama, za ciklus sa kombinovanim dovoenjem toplote, moe izraunati kao:

47L'i = L z ' z + L zb Lac

(50)

Pojedine veliine u izrazu (50) su: L z ' z = p z V z p z ' V z ' = p c Vc ( 1) rad politropskog irenjan2 1 p z V z p b Vb p z V z V z 1 = 1 = p c Vc L zb = 1 n 1 V n2 1 n2 1 b n2 1 2

(51)

(52)

-

rad politropskog sabijanjan1 1 p c Vc p a V a p c Vc Vc 1 1 Lac = = 1 = p c Vc 1 n 1 V n1 1 n1 1 a n1 1 1

(53)

Sada se izraz (50) moe pisati kao: 1 1 1 1 n 1 1 n 1 L'i = p c Vc ( 1) + n 2 1 2 n1 1 1

(54)

Sada se moe napisati izraz za srednji indicirani pritisak proraunskog nezaobljenog ciklusa (sl. 64), bez izmjene radne materije kao:p* imk

L'i p 1 1 1 = = c ( 1) + 1 n 1 1 n 1 2 Vh 1 n2 1 n1 1 1

(55)

Za pojedine specijalne sluajeve izraz (55) dobiva formu: za ciklus sa dovoenjem toplote pri v = const. ( = 1, = 1, = ):* p imV =

pc 1 1 1 1 n 1 1 n 1 1 n 2 1 2 n1 1 1

(56)

-

za ciklus sa dovoenjem toplote pri p = const = 1, ' = 1, = : n2 1 1 n1 1 pc 1 * ( 1) + 1 n 1 1 p imp = 2 1 n 2 1 n1 1

(57)

Iz indikatorskog diagrama stvarnih ciklusa oto (sl. 63) i dizel (sl. 64) motora, vidi se da je indicirani rad stvarnog ciklusa, manji od proraunskog sa nezaokrugljenim ciklusom. Odstupanje stvarnih vrijednosti srednjeg indiciranog pritiska, u odnosu na proraunske vrijednosti, ne uzimajui u obzir izmjenu radne materije, ocjenjuje se koeficijentom zaokruenja indikatorskog diagrama i, tj.:' p im = i p im

(58)

48 Prema eksperimentalnim podacima koeficijent zaokruenja i se kree u granicama i = 0,92 0,97. Dio indiciranog rada se troi i na izmjenu radne materije (Lizm). Na sl. 65 prikazan je detalj indikatorskog diagrama izmjene radne materije.p

p izm

b1 r

L izm

a

v c

pr > p a

v

Sl. 65 Indikatorski diagram izmjene radne materije etvorotaktnog usisnog motora Gubitak dijela indiciranog rada za izmjenu radne materije (Lizm) prikazan je na sl. 65 rafiranim poljem. Ovaj dio indiciranog rada se esto izraava i preko srednjeg pritiskap izm = Lizm Vh

(59)

Kod etverotaktnih motora srednji pritisak (pizm) se moe priblino odrediti (sl. 65) kao:pizm = izm ( pr pa )

(60)

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

(61)

Kod nadpunjenih motora rad izmjene radne materije moe biti pozitivan i negativan (zavisno od reima rada), to se vidi na sl. 66.p

a pk pa pr vc vh v r

Sl. 66 Indikatorski diagram izmjene radne materije kod etvorotaktnih nadpunjenih motora Kod dvotaktnih motora se srednji indicirani pritisak, izraunat prema nezaokrugljenom dijagramu za koristan dio hoda klipa, preraunava se na cijeli hod klipa preko izraza:

49' * p im = i p im (1 )

(62)V

. Kod dvotaktnih motora sa povratnim i poprenim ispiranjem Vh' vrijednost koeficijenta i 1, ako se pretpostavi da je pozitivan rad u toku izmjene radnog fluida priblino jednak gubicima rada zaobljenog u odnosu na proraunski ciklus (sl. 67 a)). Kod istosmjernogp Lp L

gdje je definisano ranije kao =

L-

L+

L+

pk vc vh v h v vc vh v h

pk v

a)

b)

Sl. 67 Pozitivni i negativni rad kod dvotaktnih motora sa poprenim i povratnim ispiranjem (a) i istosmejernim ispiranjem (b) ispiranja sl. 67 b) je dio rada pri izmjeni radne materije negativan pa je i = 0,94 0,98.b) Indicirana snaga

Indicirana snaga motora je snaga razvijena u cilindru motora i za definisane pokazatelje: srednji indicirani pritisak (pi), hodna zapremina cilindra (Vh) i vrijeme jednog ciklusa (t) moe se izraunati kao: Pi = Li , uk t = p i Vh t (63)

Vrijeme jednog ciklusa se rauna kao:t= gdje je: - taktnost motora ( = 4 - etvorotaktni motor, = 2 - dvotaktni motor) n - broj obrtaja motora Konano se indicirana snaga za jednocilindrini motor moe izraunati kao:Pi = 2 p i Vh n

2n

(64)

(65)

Ako je u pitanju viecilindrini motor sa i cilindara, onda je indicirana snaga motoraPi = 2 p i i Vh n

= 2

p i Vhuk n

(66)

50c) Indicirana specifina potronja goriva

Indicirana specifina potronja goriva (gi) pokazuje koliinu utroenog goriva po jednom indiciranom kW snage i satu. Uobiajena dimenzija specifine potronje je [g/kWh]. Definie se kao:gi = Gh Pi

(67)

gdje je Gh - potronja goriva u jedinici vremena. Najee se izraava u [kg/h].d) Indicirani stepen iskoritenja

Indicirani stepen iskoritenja (i) predstavlja odnos toplote ekvivalentne indiciranom radu i ukupno dovedene toplote za vrijeme vrenja tog indiciranog rada ili posmatrano u jedinici vremena, kao odnos indicirane snage (Pi) i dovedene toplote u jedinici vremena ( Q 1 ). Tako je:o

i =

Pi Q1o

=

Pi 1 = G h Qd g i Qd

(68)

gdje je Qd - donja toplotna mo goriva5.2 Meusobna zavisnost osnovnih parametara

Indicirana specifina potronja goriva (gi) moe se izraziti preko ve poznatih parametara na sljedei nain: ekvivalentni odnos zraka (koeficijent vika zraka) se rauna kao:m = vs = mvt = V huk k v Gh lo 2n

= V huk k v 2n = l o g i Pi=

V huk k v 2 n

lo g i 2

p i V huk n

k v lo g i pi

(69)

-

iz jednaine (69) se rauna vrijednost gi kao:gi =

v k lo pi l p 1 = o i g i Qd v k Qd

(70)

-

indicirani stepen iskoritenja se moe izraziti kao:i =

(71)

Iz jednaine (71) moe se izraziti srednji indicirani pritisak (pi) kao:pi = Qd i v k lo

(72)

515.3 Efektivni pokazatelji a) Efektivna snaga i mehaniki gubici

Snaga motora koja se od koljenastog vratila predaje radnoj maini, naziva se efektivna snaga (Pe). Ona je od indicirane snage umanjena za veliinu snage mehanikih gubitaka (Pm), tj.: Pe = Pi Pm U mehanike gubitke spadaju: snaga utroena na savladavanje otpora mehanikog trenja (klip-klipni prstenovi-kouljica, leajevi, trenje u razvodu, itd.) snaga utroena na savladavanje aerodinamikih otpora kretanja dijelova motora (klipnjaa, koljenasto vratilo, zamajac, itd.) snaga utroena na pogon pomonih ureaja motora (pumpa za vodu, pumpa za ulje, ventilator, pumpa za gorivo, kompresor, itd.) (73)

Odnos efektivne i indicirane snage naziva se mehaniki stepen iskoritenja (m), tj.:

m =

Pe Pi Pm P = =1 m Pi Pi Pi

(74)

Analogno izrazu za indiciranu snagu, efektivna snaga se rauna kao:Pe = m Pi = 2 gdje je: p e = m p i - srednji efektivni pritisakb) Efektivni stepen korisnosti i efektivna specifina potronja goriva

m pi Vh n pe Vh n = 2 uk uk

(75)

Efektivni stepen korisnosti definie se na osnovu odnosa efektivne snage i dovedene toplote u jedinici vremena kao:

e =

Pe Q1o

=

Pe Pi Pi Q 1o

= m i

(76)

Adekvatno izrazu (71), vrijednost e se moe izraziti kao:e =lo pe v k Qd

(77)

Efektivna specifina potronja goriva je:ge = Gh Gh g = = i Pe Pi m m

(78)

Adekvatno izrazu (70), efektivna specifina potronja goriva se moe napisati kao:

52ge =

v klo pe

(79)

Analogno izrazu (72) srednji efektivni pritisak motora se moe izraziti kao:pe = Qd m i Q v k = d e v k lo lo

(80)

c) Ostali efektivni pokazatelji

-

efektivni obrtni momenat

Me =

Pe

=

Pe2 n

=

p e Vhuk

= K pe

(81)

Iz izraza (81) se vidi da za jedan konkretan motor srednji efektivni moment (Me) je proporcionalan srednjem efektivnom pritisku (pe). veza izmeu potronje goriva (Gh) u jedinici vremena i koliine goriva koja se dovodi po ciklusu i cilindru (qc) je:

Gh = qc g i

2n

(82)

gdje je: m3 qc - ciklusna dobava cikl. cil. g - gustina goriva Takoe se mogu izvesti zavisnosti:

M e = K1 e qc pe = K 2 e qcgdje su K1 i K2 konstantne proporcionalnosti za konkretan motor.5.4 Odreivanje mehanikog stepena iskoritenja

(83) (84)

Mehaniki stepen iskoritenja definisan jednainom (74) ili kao:

m =

pe pi

(85)

moe se odrediti eksperimentalno: - mjerenjem efektivnih parametara (Pe, Me, n, pe) i snimanjem indikatorskog diagrama (pi) - metodom sukcesivnog iskljuivanja pojedinih cilindara - odreivanjem snage trenja stranim pogonom ili pomou nekih korelacionih izraza dobivenih na bazi velikog broja eksperimentalnih podataka.

536. TOPLOTNI BILANS MOTORA

Da bi se odredio karakter iskoritenja dovedene toplote i analizirali toplotni gubici, potrebno je napraviti toplotni bilans. U tom cilju, odreuju se pojedine komponente odvedene toplote, u zavisnosti od radnih parametara, koji su karakteristini za uslove eksploatacije (optereenje, brzinski reim, ). Izraz za toplotni bilans se moe napisati kao:Q1 = Q e + Q v + Q r + Q zo o o o o

(86)

odnosno:100% = q e + q v + q r + q z

(87)

gdje je:Q e - toplota ekvivalentna efektivno ostvarenom radu Q v - toplota odvedena hlaenjem u okolinu Q r - toplota odvedena izduvnim gasovima Q z - toplota odvedena zraenjem ili na neki drugi nain koji nije naprijed obuhvaeno o o o

Toplotni bilans dat jednainom (86) moe se prikazati diagramski na sl. 68, uz uobiajene procenteQ 1 (100%)

20 - 35 % q v < oto: dizel: 15 - 30 % Qv 30 - 55 % q r < oto: dizel: 25 - 40 % Qr 3-8% qz < oto: dizel: 2 - 5 % Qz

20 - 30 % qe < oto: dizel: 30 - 40 % Qe

Sl. 68 Diagram toplotnog bilansa (Senkey-ev diagram) pojedinih komponenti toplote. Ovaj diagram moe se prikazati u zavisnosti od radnih parametara motora. Tako je na sl. 69 dat diagram promjene parametara iz jednaine (86) ili (87) u zavisnosti od optereenja motora.

54100% PROCENAT DOVEDENE TOPLOTE qr 25% qe 50% 75% OPTEREENJE qv 40% 20% 0% n = n nom = const qz 80% 60%

100%

Sl. 69 Toplotni bilans motora u funkciji optereenja

557. NADPUNJENI (PREHRANJIVANI) MOTORI OSNOVNE KARAKTERISTIKE 7.1 Uvod

U dosadanjem dijelu izlaganja uglavnom su tretirani usisni motori, sa samo par napomena o tzv. nadpunjenim motorima. Obzirom na trendove u razvoju motora, gdje je nadpunjenje motora postalo jedan od najvanijih pravaca u razvoju motora, u nastavku e se dati osnovne karakteristike nadpunjenih motora. Nadpunjenje, koje se esto susree pod nazivom turbokompresorsko nadpunjenje ili TK nadpunjenje, danas uglavnom podrazumjeva primjenu aksijalne turbine koja je pogonjena izduvnim gasovima i radijalnog komprsora, pogonjenog od strane turbine, koji obezbjeuje veu koliinu svjeeg zraka u motoru. Na ovaj nain se omoguava poboljanje specifinih parametara motora (specifine snage, specifini obrtni momenat, itd.). Turbokompresori se grade kao kompaktne cjeline na motoru. Izgled jednog takvog TK agregata dat je na sl. 70, a na sl. 71 je dat njegov poloaj na jednom estocilindrinom motoru.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. .

Kuite kompresora, Kolo kompresora, Aksijalni leaj, Poklopac kompresora, Kuite turbine, Kolo turbine, ahura leaja, Kuite leaja.

Sl. 70 TK agregat sa svim elementima

Sl. 71 etocilindrini nadpunjeni motor sa TK agregatom

56 Osnovne karakteristike nadpunjenih motora, mogu se kao i do sada, analizirati preko idealnih i stvarnih ciklusa. U nastavku se daju p v diagrami idealnih ciklusa motora sa nadpunjenjem za dva sluaja: sluaj dovoenja toplote u turbinu pri v = const. (sl. 72) sluaj dovoenja toplote u turbinu pri p = const. (sl. 73)p q1 c z q1 z

p

z q 1 c

q 1

z

po

pa a(2)

b(3) (4) 0(1) q2 v

b po pa a(2)

q2

(3) (4) 0(1) q2 v

Sl. 72 Idealni p v ciklus nadpunjenog motora sa dovoenjem toplote u turbinu pri v = const.

Sl. 73 Idealni p v ciklus nadpunjenog motora sa dovoenjem toplote u turbinu pri p = const.

Stanje okoline, odnosno stanje prije ulaza u kompresor je oznaeno sa po p1 , a stanje na ulaznom ventilu je oznaeno sa indeksom a koje se moe uzeti priblino kao stanje na izlazu kompresora. Idealni ciklus turbokompresora u p v diagramu (sl. 72 i sl. 73) oznaen je karakteristinim takama 1 - 2 - 3 - 4.7.2 Osnovne karakteristike TK agregata a) Snaga kompresora

Adijabatski (kriva 1-2, sl. 72, sl. 73) i stvarni proces u kompresoru moe se prikazati u diagramu entalpija (h) entropija ( ), kao na sl. 74.h 2ad 2p 2= s con t

s

h adc

p 1=

st con

1

h sc

sSl. 74 Stvarni (1 2) i adijabatski (1 2ad) proces u kompresoru Koristei sl. 74 moe se napisati izraz za proraun snage kompresora kao:

Pc = mc hadc

o

1

c

(88)

57 gdje je:

m c - maseni protok zraka kroz kompresor c - stepen korisnosti kompresora hadc - adijabatska promjena entalpije (1 2ad, sl. 74)Stepen korisnosti kompresora se definie kao:

o

hadc (89) hsc gdje je hsc - stvarna promjena entropije u kompresoru. Jednaina (89) se moe pisao kao: T2 ad 1 hadc c p (T2 ad T1 ) T1 c = (90) = = T2 hsc c p (T2 T1 ) 1 T1 Ovaj koeficijent ( c ) se kree u praktinim izvedbama kompresora do max. 0,8. Koristei osnovne jednaine iz termodinamike, adijabatska promjena entalpije ( hadc ) moe se izraunati kao: 1 T2 ad p 2 1 hadc = c p (T2 ad T1 ) = c p T1 (91) T 1 = 1 R T1 p 1 1 odnosno snaga kompresora ( Pc )se definie kao:

c =

1 p2 1 R T1 Pc = m c p1 c 1 gdje je: R - gasna konstanta eksponent adijabate

1

o

(92)

b) Snaga turbine

Proces u turbini moe se prikazati u diagramu entalpija entalpija kao na sl. 75, gdje je sa indeksom 3 oznaeno stanje na ulazu u sprovodni aparat (uvodnik) turbine, indeksom 3 stanje izmeu sprovodnog aparata i ulaza u turbine i sa indeksom 4 stanje na izlazu iz turbine.s con p 3= tns t

h 3 hN

sprovodni aparat

= p3

co

turbina

h ad T

hR

4 4ad

h ST

3

s con p4=

t

hgub

Sl. 75 Stvarni (3 4) i adijabatski (3 4ad) tok procesa u turbini.

s

58 Snaga turbine moe se izraunati kao:PT = mT hadT To

(93)

gdje je T stepen korisnosti turbine i definie se kao: T 1 4 c (T T ) h T3 T = ST = p 3 4 = (94) T4 ad hadT c p (T3 T4 ad ) 1 T3 Stepen korisnosti turbine ( T ) kree se max. u granicama 0,760,82. Adijabatska promjena entalpije ( hadT ) na turbini, sa sprovodnim aparatom, rauna se kao:

hadT

G 1 p 4 G G 1 = c pG (T3 T4 ad ) = RG T3 p3 G 1

(95)

sada je konaan izraz za snagu turbine:G 1 p 4 G G 1 1 T3 PT = T m T RG p3 G

o

(96)

Ovdje je m T - maseni protok izduvnih gasova kroz turbinu. Indeks G odnosi se na izduvne plinove.c) Odnos snage na turbini i kompresoru

o

Obzirom da turbina, koristei rad ekspanzije izduvnih gasova, pokree kompresor to je njen rad, odnosno snaga, vea od snage kompresora za vrijednost mehanikih gubitaka na turbokompresoru. Na osnovu ovoga se moe napisati izraz za jednakost snage turbokompresora kao:

PT m = PC

(97)

gdje je m stepen mehanikih gubitaka u turbokompresoru. Na osnovu izraza (97) moe se pisati: G 1 1 p4 G 1 o p2 G 1 1 T3 = mC R T1 T m m T RG C p3 p1 G 1 1