Boidar Krsti1

KARAKTERISTIKE MOTORA SUS, I MOGUNOST IZRAAVANJA NJEGOVOG KVALITETA

1. UVOD Kao rezultat tenje da se pri maloj zapremini motora, i njegovoj to manjoj masi, dobijaju to vee snage, dolo se do razvoja brzohodnih motora sus, koji su danas najvie u upotrebi kod motornih vozila. Ovo znai, da u vrlo kratkom vremenskom intervalu mora se zavriti radni ciklus motora. Ako se ovome doda i to, da se tokom svog radnog ciklusa temperatura menja u vrlo irokom opsegu visokih vrednosti, pri izrazito visokim pritiscima, moe se zakljuiti da delovi motora sus su izloeni velikim toplotnim i mehanikim optereenjima. Iz ovog proizilazi da kvalitet materijala za izradu njegovih delova, kao i kvalitet i tanost njihove izrade mora biti na visokom nivou, a montaa bez ikakvih greaka. Pri tome ne treba izgubiti iz vida znaaj funkcije odravanja motora, da bi se postigle zahtevane karakteristike tokom njegovog korienja. Reimi rada motora, pri njegovom korienju, imaju presudan uticaj na njegovu pouzdanost i vek njegovog trajanja. Ovo govori o neophodnosti poznavanja reima rada motora sa svim specifinostima za odreenu njegovu namenu. Usled pojave otstupanja spoljanjeg otpora od vrednosti koja je odgovarala ravnotenom stanju ili usled pojave odstupanja koliline goriva po ciklusu dolazi do poremeaja, ravnotee odgovarajuih veliina za koje se mogu postaviti odgovarajue dinamike jednaine. Rad motora, pri realnim uslovima korienja, je uglavnom nestacionaran. Nestacionarnost rada se ispoljava, kod svih motora, od trenutka startovanja do postizanja radne take. Kada reim rada motora, primenjenih na brodovima, dostigne radnu karakteristiku uspostavlja se ravnotea izmeu momenta (snage) motora i momenta (snage) otpora pogonjene elise onda on radi priblino na stacionarnom reimu rada. Ovo nije sluaj sa motorima koji se koriste na vozilima. Najvee promene motorskih veliina ostvaruju se pri startovanju i ubrzavanju vozila. Na ustaljenim reimima rada motora kao parametri se najee uzimaju snaga, moment i potronja goriva, a kao nezavisne promenljive koriste se broj obrtaja motora, koliina goriva po ciklusu i vreme ukupnog rada motora. Svaki motor ima minimalnu i maksimalnu koliinu goriva po ciklusu i minimalni i maksimalni broj obrtaja kolenastog vratila sa kojim radi kao i odreen radni vek. Sve ove veliine su nezavisne. Za neku koliinu goriva po ciklusu, brzina obrtanja kolenastog vratila direktno je zavisna od optereenja. To znai da koliina goriva koju motor troi po ciklusu i broju obrtaja motora definie reim njegovog rada. To su spoljni uticaji radnog stanja motora. Reim rada motora sus moe da se menja po tzv. dinamikim ili stacionarnim karakteristikama. Habanje, pri nestacionarnim reimima rada, je intezivnije od habanja pri stacionarnim reimima. Uzrok tome su: nepovoljni uslovi podmazivanja, intezivnija promena toplotnog stanja delova motora pri promeni optereenja i broja obrtaja, poveanja sloja goriva na zidove cilindra i poveanja sile pritiska gasova, kao i poveanje dopunskih inercijalnih sila usled postojanja ugaonog ubrzanja kolenastog vratila motora. Stepen promenljivosti reima rada motora odreuje se na osnovu diskretnog polja reima rada ili na osnovu veliine ubrzanja kolenastog vratila, brzine promene obrtnog momenta i srednjeg efektivnog pritiska, ije se karakteristike registruju u realnim uslovima korienja motora. Rad motora sa veim stepenom promenljivosti reima rada dovodi do poveanja potronje goriva po jedinici preenog puta. Poznavanje stepena ekonominosti reima rada motora svodi se na poznavanje koliine goriva koja se mora utroiti za isti radni uinak, pri razliitim reimima rada motora. To je jedno od kljunih pitanja pri njihovom korienju. Osnovni cilj rada je prikaz karakteristika motora sus i mogunost izraavanja njegovog kvaliteta.

1

. . .

2. KVALITET I SIGURNOST RADA MOTORA SUS Kvalitet rada motora SUS, iskazuje se preko efektivnog stepena iskorienja, koji ukazuje na postojanje mehanikih i termodinamikih gubitaka u njemu, ali i preko stepena iskorienja radnog prostora motora u vidu specifine ili litarske snage. Vreme, za koje motor moe pouzdano da radi, sa zadovoljavajuim karakteristikama je njegov radni vek. Pouzdanost rada motora i vek njegovog trajanja, u prvom redu zavise od konstrukcije, primenjenih materijala i tehnologije izrade kao i od naina odravanja i uslova njegovog korienja. Za utvrivanje pouzdanosti i trajnosti rada motora neophodno je postojanje podataka o njegovom ponaanju tokom procesa korienja. Za to je potreban vrlo veliki broj podataka, tako da je za njihovu obradu neophodna primena odgovarajuih statistikih metoda koje za osnovu imaju teoriju verovatnoe. Na osnovu prikupljenih podataka, analiziranih primenom odgovarajuih metoda, mogu se utvrditi tzv. slaba mesta u motoru i konstatovati uzrok njihove pojave (konstrukcija, materijal, izrada, odravanje, primenjeno gorivo i mazivo, uslovi korienja,...). Kinematsko-dinamiki sistemi motora sus, koji se nazivaju i glavnim sistemima motora, su: motorni i razvodni mehanizam. Potrebne vrednosti veliina radnog stanja ova dva mehanizma ostvaruju se radom sistema za napajanje gorivom, usisnog sistema, sistema za formiranje smee, sistema za paljenje smee ili zagrevanje komore sagorevanja, sistema za hlaenje motora, sistema za podmazivanje motora, sistema za startovanje motora i sistema za odvod iduvnih gasova. Svi ovi sistemi sainjavaju osnovnu strukturu motora. Za kvalitetan rad motora sus neophodno je ispravno funkcionisanje svih njegovih sastavnih delova u uslovima za koje je on projektovan. Poznavanje uslova korienja motora, odreene namene, je znaajno za projektante i konstruktore motora, kako bi se njegovi parametri odredili u skadu sa tim uslovima. Intezitet i kvalitet transformacije energije goriva u mehaniku energiju kretanja motornog mehanizma zavisi od konstruktivnog kapaciteta i kvaliteta motora. Ove veliine se mogu razvrstati u dve grupe, i to: veliine stanja radne materije i veliine definisane konstrukcionim elementima motora. Konstruktivne veliine motora su nepromenljive dok funkcionalne i radne karakteristike motora su promenljive i zavise od uslova pri kojima motor radi. Karakteristike motora SUS kojima se definie odnos motora i maine koja koristi njegovu energiju, odreuje se primenom tzv. pogonskih veliina karakteristika motora. Pogonske karakteristike motora mogu se predstaviti u funkciji vremena (tada je re o tzv. karakteristikama trajnosti), u funkciji koliine goriva po ciklusu (karakteristika optereenja motora) i u funkciji broja obrtaja (brzinska karakteristika motora). Viedimenzionalne, univerzalne ili opte karakteristike motora dobijaju se kombinovanjem predhodno navedenih karakteristika. Brzinske karakteristike motora dobijaju se na osnovu rezultata merenja dobijenih pri ustaljenim stanjima rada motora. To su karakteristike promene snage, obrtnog momenta i specifine potronje goriva u zavisnosti od broja obrtaja motora. Karakteristike motora preko kojih se definie odnos motora prema okolini (koncentracija CO, CH, NOx i dima u izduvnim gasovima, intezitet buke i toplota hlaenja motora) predstavljaju tzv. upotrebne veliine karakteristike. Upotrebne i pogonske karakteristike motora predstavljaju tzv. veliine korienja. Pored upotrebnih i pogonskih karakteristika motora sree se i tzv. dinamike karakteristike motora. Njima se opisuju upotrebne i pogonske karakteristike pri promenljivim reimima rada. Pogonski kvalitet motora SUS ispoljava se preko funkcionalnosti i pogodnosti ugradnje. Najee se navode sledee pogonske veliine motora SUS: srednji efektivni pritisak (pe), efektivna snaga (Pe), litarska efektivna snaga (P), efektivni kapacitet rada motora, specifino istroenje delova, asovno istroenje delova, radni vek motora, specifina potronja ulja za podmazivanje, efektivni koeficijent iskorienja, efektivna specifina potronja goriva, asovna potronja goriva i efektivni obrtni moment. Upotrebne i pogonske veliine motora zavise od radnih, konstrukcionih i funkcionalnih veliina motora. Kvalitet rada motora izraava se preko tzv. pogonskih veliina. Srednji efektivni pritisak (pe) predstavlja meru efektivnog rada ciklusa motora i izraava se preko indikatorskog pritiska (pi) i mehanikog stepena korisnosti (hm):

pe = pi m

(1)

Da bi se ostvarila to vea snaga motora potrebno je da on radi sa to veim vrednostima pi i hm, uz istovremeno to vei broj obrtaja kolenastog vratila. Litarska snaga motora predstavlja energetsko iskorienje radne zapremine. Zbog toga se i naziva ekonominost radne zapremine (ev). To je pogonska veliina, preko koje se iskazuje kvalitet motora:

v = k pe n

(2)

Kao i litarska snaga i specifina potronja goriva, kao pogonska veliina, zavisi od termodinamikog i mehanikog kvaliteta radnog procesa motora. Za odreenu vrstu goriva (Hd) efektivni koeficijent iskorienja motora (he) odreen je u potpunosti specifinom potronjom goriva (ge):

e = i m =

1 ge H d

(3)

Odnos radnog kapaciteta ( W e = pe t ) i ukupne koliine goriva (G) utroenog za ostvarenje tog kapaciteta predstavlja ekonominost rada motora odnosno ekonominost goriva (Njg):

g =

We G

=

1 ge

(4)

Karakteristike optereenja motora (ev i eg) prikazane na slici 1, su meusobno zavisne. Postoji uvek tenja da se dobije to vea vrednost ev uz istovremeno to veu vrednost eg. Najbolji kvalitet rada motora postie se pri istovremenom najboljem iskorienju njegovog radnog prostora i primenjenog goriva. Sa aspekta kvaliteta motora, najvanije je dobiti maksimalnu snagu motora iz jedinice radne zapremine, pri minimalnoj potronji goriva. Kvalitetom rada motora obuhvaen je uticaj etiri pogonske veliine: ge, he, Pl, Pe. Za svaku motorsku veliinu moe se odrediti karakteristika optereenja i brzinska karakteristika. Karakteristika motora, koja predstavlja rezultujuu ekonominost radne zapremine i goriva, kao i ukupni kvalitet motora predstavlja se koeficijentom kvaliteta rada motora uz pomo izraza:

r = v g

(5)

Slika 1. Karakteristike optereenja motora

a) ekonominost radne zapremine(ev)

b)

ekonominost goriva (eg)

Kvaliet rada motora moe se odrediti na osnovu vrednosti specifine potronje goriva (ge) i broja obrtaja (n).

Slika 2. Uporedni tok karakteristika optereenja, ekonominosti radne zapremine (ev), zapremine goriva (eg) i koeficijenta kvaliteta rada motora (zr)

Sa slike 2 na kojoj su prikazane zavisnosti ev, eg i zr od efektivnog pritiska, pri nominalnom broju obrtaja, vidi se da nominalne pogonske veliine motora mogu se birati u intervalu od maksimalne ekonominosti goriva (eg) do maksimalne ekonominosti radne zapremine (ev). Njihova optimalna vrednost odgovara maksimalnoj vrednosti koeficijenta rada motora (zr). Najvea vrednost zr postie se pri minimalnoj vrednosti odnosa specifine potronje (ge) i efektivnog pritiska (pe) koji odgovara minimalnom broju obrtaja motora (nnom) (slika 3). Veliina zr predstavlja pogonski kriterijum za uporeivanje kvaliteta rada razliitih motora jedne iste vrste, pri njihovim nominalnim veliinama. Ova veliina moe da poslui i kao kriterijum za kvalitativno poreenje motora razliitih vrsta. Na osnovu zr moe se zakljuiti da je kvalitet rada oto motora bolji od dizel motora, jer je vea ekonominost radne zapremine, iako je manja ekonominost goriva.

a) b) Slika 3. Zavisnost koeficijenta kvaliteta rada motora (zr) od efektivnog pritiska (a) i odreivanje broja obrtaja motora za sluaj najvee vrednosti kvaliteta rada motora (b)

Dvotaktni dizel i oto motori imaju malo vei kvalitet rada od odgovarajuih etvorotaktnih motora. Pored toga oni imaju znatno loiji upoterebni kvalitet. To su i osnovni razlozi to se dvotaktni motori primenjuju samo za neke specijalne namene (za vrlo velike i vrlo male snage). zr. Prednost oto motora nad dizel motorom, u pogledu vrednosti kvaliteta rada je vrlo mala, ako se uzme u obzir upotrebni kvalitet motora koji je znatno bolji od dizel motora. Mereno veliinom zr dizel motori su loiji od oto motora jer je njihovo iskorienje radne zapremine manje. Ovo uslovljava znatno veu masu dizel motora u poreenju sa oto motorom iste snage. Dizel motor, zbog vee ekonominosti goriva primenjuje se tamo gde nije presudna masa i cena motora. Dizel motori, kod kojih je formiranje smee i sagorevanje takvo da omoguuje dobijanje dovoljno visokih vrednosti srednjih efektivnih pritisaka, pri brojevima obrtaja sa kojima rade oto motori, sve vie se primenjuju na putnikim vozilima. Pri ovako visokim brojevima obrtaja goriva ekonominost dizel

motora je neto manja nego pri brojevima obrtaja sa kojima rade dizel motori normalne brzohodnosti (2000 2500 o/min). Primenom nadpunjenih motora istovremeno se poveava ekonominost radne zapremine i ekonominost goriva. To je razlog to je primena nadpunjenih dizel motora sve vea, ak i za putnika vozila. Kod njih vrednost kvaliteta rada motora ima priblino istu vrednost kao i kod oto motora. Potronja ulja je normalna pojava, koja se ne moe izbei jer odreena koliina ulja prodire u prostor za sagorevanje, gde sagoreva, i ona, pri istovremenom radu motora iznosi 1 2 g/kNjh. Kao i pri razmatranju potronje goriva ovde se moe definisati pojam ekonominost ulja za podmazivanje motora (eu) preko specifine potronje ulja (gu):

u =

1 gu

(6)

Ako se uzme u obzir i potronja ulja, izraz za odreivanje koeficijenta kvaliteta rada motora dobija oblik:

r = v g u

(7)

Kao posledica habanja delova motora dolazi do opadanja pogonskih, a samim tim i funkcionalnih karakteristika motora. Radni vek motora definie se na osnovu dozvoljenog pada vrednosti ovih karakteristika. Pouzdanost i vek trajanja motora odreuje se najee na osnovu podataka ispitivanja u realnim uslovima korienja, a neto ree u laboratorijskim uslovima. Performanse motora tokom njegovog rada u poetku rastu, zatim se stabilizuju, dostiu maksimum pa opadaju. Konstruktivna koncepcija motora, nain izrade, nain korienja i primenjena tehnologija odravanja u najveoj meri utiu na performanse motora SUS i vek njegovog trajanja. Vek trajanja motora SUS moe se odrediti samo na osnovu principa teorije pouzdanosti sloenih sistema. Vek trajanja motora ugraenih u malo pokretljive maine (traktori i razne graevinske maine) ili za pogon stacionarnih maina (pumpe, ventilatori,...) izraava se uglavnom u asovima njegovog rada. Poreenje veka trajanja motora moe se vriti samo za iste uslove korienja. Svoenjem asovnog istroenja (h) na jedinicu razvijene efektivne snage dobija se vrednost specifinog istroenja delova (he) koja ne zavisi od reima rada motora, jer se sa poveanjem snage motora poveava i asovno istroenje:h he = ~ Pe

(8)

Radni vek motora (t2) i asovno istroenje (h) zavise od radnih pogonskih veliina, pa samim tim i od kvaliteta rada motora. Koeficijent trajnosti rada motora (em) moe se izraziti preko specifinog istroenja (he) u obliku:

m =

1 he

(9) Kvalitet rada ciklusa motora, u vezi sa toplotnim , strujnim i mehanikim gubicima radnog procesa izraava se preko koeficijenta kvaliteta rada motora (zr). Kvalitet konstrukcije motora, u pogledu otpornosti na habanje, izraava se preko koeficijenta trajnosti rada motora (em). Uvek se tei da motor radi sa to veim kvalitetom rada (izraenog preko zr) pri to veoj vrednosti trajnosti rada motora (izraenoj preko koeficijenta trajnosti rada). Da bi se obuhvatile sve kvalitativne pogonske veliine motora uvodi se tzv. koeficijent pogonskog kvaliteta motora (zp), koji predstavlja snagu koja se dobija iz jedinice radne zapremine, za jedinicu specifine potronje goriva i ulja i specifinog istroenja delova.

p = r m =

k Pe n g e g u he

(10)

Usled smanjenja zr i em, to je posledica loeg radnog stanja motora, u oblasti veih vrednosti zv dolazi do smanjenja vrednosti koeficijenta pogonskog kvaliteta zp. U toku rada motora pojavljuju se, pored procesa habanja i neki drugi mehaniki procesi, toplotni, hemijski itd., koji utiu na pogoravanje radnih veliina motora, a

samim tim dovode i do pogoravanja funkcionalnih i pogonskih veliina, pa prema tome i do smanjenja pogonskog kvaliteta motora. U periodu razraivanja motora dolazi do poboljanja njegovih pogonskih veliina. Sve do trenutka potpune razgraenosti motora njegove pogonske veliine se poboljavaju. Potom nastupa vrlo sporo pogoravanje ovih veliina. Na osnovu praenja promene koeficijenta pogonskog kvaliteta motora (kojima se izraava pogonski kvalitet motora), do trenutka potpune razraenosti motora, moe se utvrditi sposobnost njegovog trajnog rada. Motor poseduje dovoljnu sigurnost rada, ukoliko se pogonski kvalitet motora poboljava (znai zp raste) do trenutka njegove potpune razraenosti. Kao mera pogonske sigurnosti rada motora koristi se odnos vrednosti koeficijenta pogonskog kvaliteta koji se postie posle perioda njegovog potpunog razraivanja (zpk) i ove vrednosti pre poetka razraivanja motora (zpo):

p =

pk po11)

Na osnovu koeficijenta pogonske sigurnosti motora (sp), preko koga se izraava sigurnost rada motora, mogue je izvriti klasifikaciju tetnih procesa u motoru prema tome da li se pogorava kvalitet rada, poveava potronja ulja ili poveava habanje delova. Iz tog razloga koeficijent pogonske sigurnosti motora moe se napisati u obliku proizvoda tri parcijalna koeficijenta pogonske sigurnosti:

p = r u m

(12)

Za utvrivanje koeficijenta pogonske sigurnosti (sp) dovoljno je ispitati sigurnost rada motora (ova sigurnost se izraava preko koeficijenta sigurnosti rada motora sr). Ukoliko se eli utvrditi uzrok nedovoljne sigurnost rada motora potrebno je odrediti i koeficijent poveanja potronje ulja (su) kao i vrednost koeficijenta poveanja pohabanosti delova motora (sm). Moe se smatrati da je rad motora isravan ukoliko on moe trajno da radi sa nominalnim vrednostima pogonskih veliina. Preko koeficijenta pogonskog kvaliteta rada motora (sp) i koeficijenta pogonske sigurnosti rada motora (sp) mogu se definisati karakteristike odreenog motora (jednog predstavnika koji se serijski proizvodi ili motora koji se radi u malim koliinama npr. brodskih motora). Za veliki broj motora, koji se koriste u razliitim uslovima, neophodno je primenom statistikih metoda pratiti kvalitet njihovog rada, vek trajanja, pouzdanost i druge relevantne pokazatelje njihovog rada. U ovom sluaju, umesto koeficijenta pogonske sigurnosti, kojim se definie pouzdanost i sigurnost jednog motora, odreuje se pouzdanost motora pri korienju.

3. ZAKLJUAK

Kvalitet rada motora sus, iskazuje se preko efektivnog stepena iskorienja, koji ukazuje na postojanje mehanikih i termodinamikih gubitaka u njemu, ali i preko stepena iskorienja radnog prostora motora u vidu specifine ili litarske snage. Pouzdanost rada motora i vek njegovog trajanja, u prvom redu zavise od konstrukcije, primenjenih materijala i tehnologije izrade, kao i od naina odravanja i uslova njegovog korienja. Karakteristike motora sus kojima se definie odnos motora i maine koja koristi njegovu energiju, odreuje se primenom tzv. pogonskih karakteristika motora. Karakteristike motora preko kojih se definie odnos motora prema okolini predstavljaju tzv. upotrebne karakteristike. Upotrebne i pogonske karakteristike motora predstavljaju tzv. veliine korienja. Pored upotrebnih i pogonskih karakteristika motora sreu se i tzv. dinamike karakteristike motora. Njima se opisuju upotrebne i pogonske karakteristike pri promenljivim reimima rada. Pogonski kvalitet motora sus ispoljava se preko funkcionalnosti i pogodnosti ugradnje. Kvalitet rada motora izraava se preko tzv. pogonskih veliina.

LITERATURA1] 2] 3] 4] M. Tomi,S. Petrovi: Motori sa unutranjim sagorevanjem, Mainski fakultet,B eograd,1994. B. Krsti: Eksploatacija motornih vozila i motora, Mainski fakultet, Kragujevac,1997. R. Trifunovi: Eksploatacija motora I deo, Mainski fakultet, Beograd, 1983. Prospektni materijali renomiranih proizvoaa motora sus A. A. Lipgart: Dolgovenost avtomobilei, Magiz, Moskva, 1961.