Dvotaktni i četvorotaktni motori Poređenje (čitač)

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

goriva). Popravlja se direktnim ubrizgavanjem, kada se gubi samo vazduh (složenija konstrukcija).

– Jednostavnija konstrukcija zbog prelivnog kanala (nema ventila, ako ima, poboljšava se izmena radne materije, ali je konstrukcija složenija)

Primena: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 zbog ubrizgavanja

• 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)Koeficijent viška vazduha

Idealno sagorevanje, produkti sagorevanja:Ugljendioksid (CO)* i voda (H2O, vodena para).

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, λλλλ [kg vazduha/kg goriva] (benzin: 14.7-14.9 [kgvazd/kggor]).Lambda faktor - λλλλ, pokazuje odstupanja stvarne smeše u motoru od stehiometrijske***.

Lstv – stvarna količina vazduha (usisana u cilindar)Lsteh – teorijska količina vazduha (stehiometrijska)

stv

steh

L

Lλ =

λ = 1, “teorijska” smeša, Lstv = Lsteh, prema zakonima hemije, steiometrijaλ > 1, “siromašna” smeša, Lstv > Lsteh, granica upaljenja varnicom, λ = 1,2 – 1,4λ < 1, “bogata” smeša, Lstv < Lsteh, granica upaljenja varnicom λ = 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:λ - 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 prvenstveno u cilju smanjenja i neutralizacije otrovnih komponenti u izduvnim gasovima, ali i zbog povećanja ekonomičnosti rada motora.

Zavisnost momenta oto motora od sastava smeše Sastav 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.Smeša koja najbrže sagoreva je toksična usled nedostatka kiseonika. Treba je primenjivati (“mapa goriva”):Samo kada se zahtevaju maksimalne performanse motora iperformanse motora iSamo u prelaznom režimu rada motora, (dv/dt):Dobijanje maksimalnih momenata kod kritičnih ubrzanja vozila (preticanje vozilom na putu).

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

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

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

• Kod oto motora se teži homogenoj smeši u cilindru motora. Smeša se priprema u taktu usisavanja.

Izuzetak je slojevito punjenje:Izuzetak je slojevito punjenje:

Smeša je “u proseku” sa negorivim slojem- izrazito nehomogena- vrlo siromašna

Ipak, u gorivom sloju se teži homogenoj smeši.

Priprema smeše je u taktu sabijanja.

Strelice na skicama pokazuju smerove prostiranja fronta plamena (prostor)

Kvalitativno (oto) i kvantitativno (dizel) punjenje* motora

• Kod oto motora sastav smeše odre đuje se “kvalitativnim” dodavanem goriva:Količina goriva u smeši menja se u vrlo uskim granicama, definisanim peko koeficijenta λ viška vazduha.Količina goriva po ciklusu zavisi od količine vazduha.

Punjenje motora se odre đuje koli činom usisanog vazduha, smanjenjem u odnosu na maksimalnu koli činu vazduha, pa se vazduhu dodaje pripadaju ća koli čina goriva za dati na čin rada motora.Smanjenje punjenja se ostvaruje prigušivanjem struje usisa preko leptira, čime se smanjuje gustina vazduha – vazduh se razređuje.Posledica razređivanja vazduha: Gubitak kompresije i time rada.Maksimalni momenti oto motora dobijaju se pri najve ćem otvoru Maksimalni momenti oto motora dobijaju se pri najve ćem otvoru leptira (WOT), kada nema prigušenja.

• Kod dizel motora sastav smeše se menja “kvantitativni m” dodavanjem goriva:Količina goriva u smeši menja se dinamički po p=const u vrlo širokim granicama.Količina goriva po ciklusu ne zavisi od količine vazduha. Dizel motori rade sa velikim viškovima vazduha λ, zbog problema oko homogenizacije smeše. Nemaju leptir kao oto motori, pa se uvek usisava maksimalna količina vazduha,Posledica odsustva leptira: Nema gubitka kompresije.

Punjenje motora se odre đuje promenom koli čine ubrizganog goriva.Maksimalni momenti se dobijaju pri najve ćem punjenju gorivom.

Kvalitativno (oto) i kvantitativno (dizel) punjenje* motora

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 oto motora (paljenje, sagorevanje, sastav izduvnih gasova).

Toplotna efikasnost ciklusa **

TeorijskiTeorijskiToplotna efikasnost oto motora je bolja nego dizel motora.

Prakti čno• Veliki viškovi vazduha dizel motora daju bolje toplotno izolovan gorivi sloj,

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

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

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

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

• Brzina sagorevanja smeše

je najveća u oblasti bogate smeše

λ = 0.9 – 1.0 (za najveće snage)

• Granice upaljivosti smeše (rastu):

Gornja granica upaljivostiGornja granica upaljivosti

λ = 1,2 – 1,4 (siromašna smeša)

Donja granica upaljivosti

λ = 0,6 – 0,8 (bogata smeša)

Izvan granica upaljivosti nije mogu će upaliti smešu varnicom

Kod slojevitog punjenja koristi se posebna tehnika za paljenje vrlo siromašne smeše “u proseku” (ubrizgavanje u pravcu elektroda svećice)

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.Sloj smeše na koji je toplota preneta ima oblik sferne ljuske.

• Sferna ljuska se pali , sagoreva i prenosi toplotu na sebi spoljni okružujući sferni sloj. Front plamena se pokre će.

• 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 odv ijaju 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 ispred fronta njegovog kretanja. Gasovi iza fronta plamena komprimuju nesagorelu smešu ispred fronta plamena.Geometrija fronta plamena i prostora za sagorevanje su nekompatibilne.Mesto formiranja jezgra plamena (između elektroda svećice) je nesimetrično u odnosu na prostor za sagorevanje (daleko od središta).

Vreme sagorevanja treba da bude kratko, a po uglu k.v. neposredno iza SMT – pri najmanjoj zapremini, što odgovara uslovu V=const za dovođenje toplote oto ciklusa.

Prostor za sagorevanje treba da je najmanji: Pri najmanjoj zapremini gas je najviše sabijenTemperatura gasa najviša. Smeša se najlakše pali.Prostor za sagorevnje je najmanji. Put fronta plamena je najkraći najbrže i traje najkraće.

Uvođenje dve svećice u cilindar 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).

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 značajno iznad linije sabijanja do veličine koja 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. Faza treba da bude što više odmah posle SMT, pri V=const. (Važi za stvaran-realan ciklus, za koji je brzina dovođenja toplote konačna). Najveći deo toplote dovodi se u ovoj fazi.

III faza: Period dogorevanjaOd kraja druge faze do potpunog sagorvanja ostatka smeše. (Tačan početak je

nedefinisan, ali je na liniji ekspanzije). Idući od svećice front plamena najkasnije stiže do zidova cilindra i u “procep” – prostor između cilindra i klipa iznad kompresionog prstena.

Smeša uz zidove cilindra se hladi od zidova, gubi toplotu, temperatura smeše se snižava, pa se teže pali i sporije sagoreva. Usled gubitaka, količina dovedene toplote se smanjuje, a sagorevanje se premešta sa V=const na krivu širenja – ekspanziju. Kriva ciklusa u pV dijagramu se zaobljava u tački p=pmax , između krivih V=const (izohora) i δQ=0 (adijabata). Zaobljavanje je nepoželjno jer odstupa od površine u p,V dijagramu obuhvaćene krivama idealnog oto ciklusa, tako što se površina smanjuje. To znači manje rada iz iste dovedene toplote, ali neizbežno u homogenom punjenju. (Slojeviti rad nema izražen ovaj problem).

Indikatorski dijagram toka pritiska i faza sagorevanja u oto motoru*

Indikatorski dijagram 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).(pravougaonik, pi visina pravougaonika).

Efektivan pritisak pe je pritisak na raspolaganju posle savladavanja unutrašnjih otpora motora, na koje se utroši mehanički rad, pritisak, pm . (Pritisak “na zamajcu”). pe=pi-pm

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

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

Uticaj ugla predpaljenja na sagorevanje u oto motoru

• Rano paljenje– Daje veliki porast pritiska iznad linije sabijanja pre SMT zbog preranog dovođenja

toplote.– Rad se troši na sabijanje usled povećanog pritiska pre SMT – na strani

kompresije. 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.mehanički i termički napreže, naročito klip motornog mehanizma.

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

faza sagorevanja) na strani ekspanzije. Površina koja predstavlja rad u pV dijagramu se smanjuje sa gornje strane i pomera u desno. Glavno sagorevanje 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 motora opada po osnovi momenta, za isti (zahtevani) moment potrošnja goriva je veća.

– 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+H2O↔CO+H2+O2Raspad 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 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 iza fronta prenosi na prostor ispred fronta plamena, sabijajući ostatak nesagorele smeše. Usled sabijenja delovi ostatka smeše postižu temperaturu samopaljenja goriva i sagorevaju nekontrolisano (sve posle varnice koja pokreće front plamena(!)).

Nagli porast pritiska stvara poremećajni talas pritiska koji se prenosi ka zidovima cilindra, klipa i prostora za sagorevanje u glavi motora. Sledi odbijanje poremećajnog talasa pritiska od graničnih površina i pulsiranje talasa po radnom prostoru, što stvara karakterističan “metalni zvuk” (“pinging noise”).“metalni zvuk” (“pinging noise”).

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 zapremin i nesagorelog dela smeše razvijaju ći se iz više centara u kojima se smeša sama pali.

Plamen se zapreminski širi znatno brže nego površin ski, kako se, inače, širi front plamena u obliku sferne ljuske. Brzo zapreminsko širenje plamena ima karakter detonacije .*

Položaj ventila za vreme detonativnog sagorevanja

• Često se pogrešno smatra da zvuk kod detonativnog sagorevanja dolazi od udara ventila o sedište zbog metalne boje detonativnog zvuka.

Međutim, visok pritisak u cilindru, koji predstavlja preduslov za visoku temperaturu smeše, uslov za samopaljenje, ne može se ostvariti ako je neki ventil otvoren. Kroz otvoren ventil gas bi izlazio ili u usisni ili u izduvni vod, pritisak u cilindru se snižavao (pad ili u usisni ili u izduvni vod, pritisak u cilindru se snižavao (pad kompresije), time i temperatura smeše, sve nasuprot uslovima detonacije.

Drugim rečima:

Za detonativno sagorevanje je neophodna kompresija, a u vreme kompresije ventili su zatvoreni – nalaze se na svojim sedištima.Ako ventili ne bi bili na svojim sedištima, ne bi moglo doći do kompresije, koja je uslov za detonativno sagorevanje.

Nastanak detonacije i prenošenje talasa pritiska*

• Centri paljenja po celoj zapremini ostatka nesagorele smeše

• Pritisak fronta plamena na ostatak nesagorele smeše

• Visoka temperatura i prateći pritisak, koji diže temperaturu u pritisak, koji diže temperaturu u cilindru motora su preduslovi za detonativno sagorevanje. Previsok pritisak i temperatua nastaju pri velikom mehaničkom i termičkom opterećenju motora.

Radni uslovi 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 . Slično i za indicirani pritisak, pi)

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

• Termi čko naprezanje motora, ugrejan iznad normalne radne temperature: Početna temperatura sabijanja smeše je viša, time je i krajnja temperatura smeše viša i bliža samopaljenju. (pVϰ=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. Tome se dodaje da je ukupna količin dovedene toplote pri slojevitom sagorevanju mala.

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

Radni uslovi za nastanak detonativnog sagorevanja:

Upravljanje paljenjem• Prerano paljenje povišava pritisak i temperaturu u taktu sabijanja.

Porast pritiska je visok znatno pre SMT, u vreme kada još treba da traje pritajeno sagorevanje. Temperatura smeše raste, sa njom i pritisak iza fronta plamena, sabijajući ostatak nesagorele smeše.

Otpornost goriva na detonacijuOtpornost goriva na detonaciju• Nedovoljna oktanska vrednost goriva povećava sklonost ka

samopaljenju (ON, RON) (izooktan/n-heptan). Veća toplotna moć (vrednost) goriva nije od značaja, jer se za isti moment – dodaje manje goriva.

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 zajedni čkim delovanjem faktora:Motor – na čin rada – gorivo – vozilo (voza č).

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 (brzina fronta plamena je Gasna sila klipa zbog naglog oslobađanja toplote (brzina fronta plamena je mnogo veća) 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 (takođei leteći i ležeći ležji). 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 usled odbijanja o zidove i interferencije.

Izgled klipova oštećenih detonativnim sagorevanjem