Božidar Krstić 1
KARAKTERISTIKE MOTORA SUS, I MOGUĆNOST IZRAŽAVANJA NJEGOVOG KVALITETA
1. UVOD Kao rezultat težnje da se pri maloj zapremini motora, i njegovoj što manjoj masi, dobijaju što veće snage, došlo se do razvoja brzohodnih motora sus, koji su danas najviše u upotrebi kod motornih vozila. Ovo znači, da u vrlo kratkom vremenskom intervalu mora se završiti radni ciklus motora. Ako se ovome doda i to, da se tokom svog radnog ciklusa temperatura menja u vrlo širokom opsegu visokih vrednosti, pri izrazito visokim pritiscima, može se zaključiti da delovi motora sus su izloženi velikim toplotnim i mehaničkim opterećenjima. Iz ovog proizilazi da kvalitet materijala za izradu njegovih delova, kao i kvalitet i tačnost njihove izrade mora biti na visokom nivou, a montaža bez ikakvih grešaka. Pri tome ne treba izgubiti iz vida značaj funkcije održavanja motora, da bi se postigle zahtevane karakteristike tokom njegovog korišćenja. Režimi rada motora, pri njegovom korišćenju, imaju presudan uticaj na njegovu pouzdanost i vek njegovog trajanja. Ovo govori o neophodnosti poznavanja režima rada motora sa svim specifičnostima za odreñenu njegovu namenu. Usled pojave otstupanja spoljašnjeg otpora od vrednosti koja je odgovarala ravnotežnom stanju ili usled pojave odstupanja kolilčine kolilčine goriva po ciklusu dolazi do poremećaja, ravnoteže ravnoteže odgovarajućih veličina za koje se mogu postaviti odgovarajuće dinamičke jednačine. Rad motora, pri realnim uslovima korišćenja, je uglavnom nestacionaran. Nestacionarnost rada se ispoljava, kod svih motora, od trenutka startovanja do postizanja radne tačke. Kada režim rada motora, primenjenih na brodovima, dostigne radnu karakteristiku uspostavlja se ravnoteža izmeñu momenta (snage) motora i momenta (snage) otpora pogonjene elise onda on radi približno na stacionarnom režimu rada. Ovo nije slučaj sa motorima koji se koriste na vozilima. Najveće promene motorskih veličina ostvaruju se pri startovanju i ubrzavanju vozila. Na ustaljenim režimima rada motora kao parametri se najčešće uzimaju snaga, moment i potrošnja goriva, a kao nezavisne promenljive koriste se broj obrtaja motora, količina goriva po ciklusu i vreme ukupnog rada motora. Svaki motor ima minimalnu i maksimalnu količinu goriva po ciklusu i minimalni i maksimalni broj obrtaja kolenastog vratila sa kojim radi kao i odreñen radni vek. Sve ove veličine su nezavisne. Za neku količinu goriva po ciklusu, brzina obrtanja kolenastog vratila direktno je zavisna zavisna od opterećenja. To znači da količina goriva koju motor troši po ciklusu i broju obrtaja motora definiše režim njegovog rada. To su spoljni uticaji radnog stanja motora. Režim rada motora sus može da se menja po tzv. dinamičkim ili stacionarnim karakteristikama. Habanje, pri nestacionarnim režimima rada, je intezivnije od habanja pri stacionarnim režimima. Uzrok tome su: nepovoljni uslovi podmazivanja, intezivnija promena toplotnog stanja delova motora pri promeni opterećenja i broja obrtaja, povećanja sloja goriva na zidove cilindra i povećanja sile pritiska gasova, kao i povećanje dopunskih inercijalnih sila usled postojanja ugaonog ubrzanja kolenastog vratila motora. Stepen promenljivosti režima rada motora odreñuje odreñuje se na osnovu diskretnog polja režima rada ili na osnovu veličine ubrzanja kolenastog vratila, brzine promene obrtnog momenta i srednjeg efektivnog pritiska, čije se karakteristike registruju u realnim uslovima korišćenja motora. Rad motora sa većim stepenom promenljivosti režima rada dovodi do povećanja potrošnje goriva po jedinici preñenog puta. Poznavanje stepena ekonomičnosti režima rada motora svodi se na poznavanje količine goriva koja se mora utrošiti za isti radni učinak, pri različitim režimima rada motora. To je jedno od ključnih pitanja pri njihovom korišćenju. Osnovni cilj rada je prikaz karakteristika motora sus i mogućnost izražavanja njegovog kvaliteta.
1
др инг. в. проф. Машинског факултета у Крагујевцу
2. KVALITET I SIGURNOST RADA MOTORA SUS Kvalitet rada motora SUS, iskazuje se preko efektivnog stepena iskorišćenja, koji ukazuje na postojanje mehaničkih i termodinamičkih gubitaka u njemu, ali i preko stepena iskorišćenja radnog prostora motora u vidu specifične ili litarske snage. Vreme, za koje motor može pouzdano da radi, sa zadovoljavajućim 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 načina održavanja i uslova njegovog korišćenja. Za utvrñivanje pouzdanosti i trajnosti rada motora neophodno je postojanje podataka o njegovom ponašanju tokom procesa korišćenja. Za to je potreban vrlo veliki broj podataka, tako da je za njihovu obradu neophodna primena odgovarajućih statističkih metoda koje za osnovu imaju teoriju verovatnoće. Na osnovu prikupljenih podataka, analiziranih primenom odgovarajućih metoda, mogu se utvrditi tzv. slaba mesta u motoru i konstatovati uzrok njihove pojave (konstrukcija, materijal, izrada, održavanje, primenjeno gorivo i mazivo, uslovi korišćenja,...). Kinematsko-dinamički sistemi motora sus, koji se nazivaju i glavnim sistemima motora, su: motorni i razvodni mehanizam. Potrebne vrednosti veličina radnog stanja ova dva mehanizma ostvaruju se radom sistema za napajanje gorivom, usisnog sistema, sistema za formiranje smeše, sistema za paljenje smeše ili zagrevanje komore sagorevanja, sistema za hlañenje motora, sistema za podmazivanje motora, sistema za startovanje motora i sistema za odvod iduvnih gasova. Svi ovi sistemi sačinjavaju 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 korišćenja motora, odreñene namene, je značajno za projektante i konstruktore motora, kako bi se njegovi parametri odredili u skadu sa tim uslovima. Intezitet i kvalitet transformacije energije goriva u mehaničku energiju kretanja motornog mehanizma zavisi od konstruktivnog kapaciteta i kvaliteta motora. Ove veličine se mogu razvrstati u dve grupe, i to: veličine stanja radne materije i veličine definisane konstrukcionim elementima motora. Konstruktivne veličine motora su nepromenljive dok funkcionalne i radne karakteristike motora su promenljive i zavise od uslova pri kojima motor radi. Karakteristike motora SUS kojima se definiše odnos motora i mašine koja koristi njegovu energiju, odreñuje se primenom tzv. pogonskih veličina karakteristika motora. Pogonske karakteristike motora mogu se predstaviti u funkciji vremena (tada je reč o tzv. karakteristikama trajnosti), u funkciji količine goriva po ciklusu (karakteristika opterećenja motora) i u funkciji broja obrtaja (brzinska karakteristika motora). Višedimenzionalne, univerzalne ili opšte 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 specifične potrošnje goriva u zavisnosti od broja obrtaja motora. Karakteristike motora preko kojih se definiše odnos motora prema okolini (koncentracija CO, CH, NO x i dima u izduvnim gasovima, intezitet buke i toplota hlañenja motora) predstavljaju tzv. upotrebne veličine – karakteristike. Upotrebne i pogonske karakteristike motora predstavljaju tzv. veličine korišćenja. Pored upotrebnih i pogonskih karakteristika motora sreće se i tzv. dinamičke karakteristike motora. Njima se opisuju upotrebne i pogonske karakteristike pri promenljivim režimima rada. Pogonski kvalitet motora SUS ispoljava se preko funkcionalnosti i pogodnosti ugradnje. Najčešće se navode sledeće pogonske veličine motora SUS: srednji efektivni pritisak ( pe), efektivna snaga (P e), litarska efektivna snaga ( P ), efektivni kapacitet rada motora, specifično istrošenje delova, časovno istrošenje delova, radni vek motora, specifična potrošnja ulja za podmazivanje, efektivni koeficijent iskorišćenja, efektivna specifična potrošnja goriva, časovna potrošnja goriva i efektivni obrtni moment. Upotrebne i pogonske veličine motora zavise od radnih, konstrukcionih i funkcionalnih veličina motora. Kvalitet rada motora izražava se preko tzv. pogonskih veličina. Srednji efektivni pritisak ( pe) predstavlja meru efektivnog rada ciklusa motora i izražava se preko indikatorskog pritiska (p ) i i mehaničkog stepena korisnosti (h m):
pe = pi ⋅ η m
(1) Da bi se ostvarila što veća snaga motora potrebno je da on radi sa što većim vrednostima pi i hm, uz istovremeno što veći broj obrtaja kolenastog vratila. Litarska snaga motora predstavlja energetsko iskorišćenje radne zapremine. Zbog toga se i naziva ekonomičnost radne zapremine (e v ). To je pogonska veličina, preko koje se iskazuje kvalitet motora: ε v = k ⋅ pe ⋅ n
(2) Kao i litarska snaga i specifična potrošnja goriva, kao pogonska veličina, zavisi od termodinamičkog i mehaničkog kvaliteta radnog procesa motora. Za odreñenu vrstu goriva (H d ) efektivni koeficijent iskorišćenja motora (h e) odreñen je u potpunosti specifičnom potrošnjom goriva (ge): η e = η i ⋅ η m =
1
g e ⋅ H d
(3)
Odnos radnog kapaciteta ( W e = pe ⋅ t ) i ukupne količine goriva (G) utrošenog za ostvarenje tog kapaciteta predstavlja ekonomičnost rada motora odnosno ekonomičnost goriva (Njg): ε g =
W e G
=
1
ge
(4) Karakteristike opterećenja motora (ev i eg) prikazane na slici 1, su meñusobno zavisne. Postoji uvek težnja da se dobije što veća vrednost e v uz istovremeno što veću vrednost eg. Najbolji kvalitet rada motora postiže se pri istovremenom najboljem iskorišćenju njegovog radnog prostora i primenjenog goriva. Sa aspekta kvaliteta motora, najvažnije je dobiti maksimalnu snagu motora iz jedinice radne zapremine, pri minimalnoj potrošnji goriva. Kvalitetom rada motora obuhvaćen je uticaj četiri pogonske veličine: ge, he, P l, P e. Za svaku motorsku veličinu može se odrediti karakteristika opterećenja i brzinska karakteristika. Karakteristika motora, koja predstavlja rezultujuću ekonomičnost radne zapremine i goriva, kao i ukupni kvalitet motora predstavlja se koeficijentom kvaliteta rada motora uz pomoć izraza:
ξr = εv ⋅ ε g
(5)
Slika 1. Karakteristike opterećenja motora
a) ekonomičnost radne zapremine(e v )
b)
ekonomičnost goriva (eg )
Kvaliet rada motora može se odrediti na osnovu vrednosti specifične potrošnje goriva (ge) i broja obrtaja (n).
Slika 2. Uporedni tok karakteristika opterećenja, ekonomičnosti radne zapremine (ev ), zapremine goriva (e g ) i koeficijenta kvaliteta rada motora (z ) r
Sa slike 2 na kojoj su prikazane zavisnosti e v, eg i zr od efektivnog pritiska, pri nominalnom broju obrtaja, vidi se da nominalne pogonske veličine motora mogu se birati u intervalu od maksimalne ekonomičnosti goriva (e g) do maksimalne ekonomičnosti radne zapremine (ev). Njihova optimalna vrednost odgovara maksimalnoj vrednosti koeficijenta rada motora (z r). Najveća vrednost z r postiže se pri minimalnoj vrednosti odnosa specifične potrošnje (ge) i efektivnog pritiska ( pe) koji odgovara minimalnom broju obrtaja motora (nnom) (slika 3). Veličina z r predstavlja pogonski kriterijum za uporeñivanje kvaliteta rada različitih motora jedne iste vrste, pri njihovim nominalnim veličinama. Ova veličina može da posluži i kao kriterijum za kvalitativno poreñenje motora različitih vrsta. Na osnovu z r
može se zaključiti da je kvalitet rada oto motora bolji od dizel motora, jer je veća ekonomičnost radne zapremine, iako je manja ekonomičnost goriva.
a) b) Slika 3. Zavisnost koeficijenta kvaliteta rada motora (z ) r od efektivnog pritiska (a) i odreñivanje broja obrtaja motora za slučaj najveće vrednosti kvaliteta rada motora (b)
Dvotaktni dizel i oto motori imaju malo veći kvalitet rada od odgovarajućih četvorotaktnih motora. Pored toga oni imaju znatno lošiji upoterebni kvalitet. To su i osnovni razlozi što se dvotaktni motori primenjuju samo za neke specijalne namene (za vrlo velike i vrlo male snage). z r. 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 veličinom z r dizel motori su lošiji od oto motora jer je njihovo iskorišćenje radne zapremine manje. Ovo uslovljava znatno veću masu dizel motora u poreñenju sa oto motorom iste snage. Dizel motor, zbog veće ekonomičnosti goriva primenjuje se tamo gde nije presudna masa i cena motora. Dizel motori, kod kojih je formiranje smeše i sagorevanje takvo da omogućuje dobijanje dovoljno visokih vrednosti srednjih efektivnih pritisaka, pri brojevima obrtaja sa kojima rade oto motori, sve više se primenjuju na putničkim vozilima. Pri ovako visokim brojevima obrtaja goriva ekonomičnost dizel
motora je nešto manja nego pri brojevima obrtaja sa kojima rade dizel motori normalne brzohodnosti (2000 ÷ 2500 o/min). Primenom nadpunjenih motora istovremeno se povećava ekonomičnost radne zapremine i ekonomičnost goriva. To je razlog što je primena nadpunjenih dizel motora sve veća, čak i za putnička vozila. Kod njih vrednost kvaliteta rada motora ima približno istu vrednost kao i kod oto motora. Potrošnja ulja je normalna pojava, koja se ne može izbeći jer odreñena količina ulja prodire u prostor za sagorevanje, gde sagoreva, i ona, pri istovremenom radu motora iznosi 1 ÷ 2 g/kNjh. Kao i pri razmatranju potrošnje goriva ovde se može definisati pojam ekonomičnost ulja za podmazivanje motora (e u) preko specifične potrošnje ulja (gu): ε u =
1
gu
(6) Ako se uzme u obzir i potrošnja ulja, izraz za odreñivanje koeficijenta kvaliteta rada motora dobija oblik: ξ r = ε v ⋅ ε g ⋅ ε u
(7) Kao posledica habanja delova motora dolazi do opadanja pogonskih, a samim tim i funkcionalnih karakteristika motora. Radni vek motora definiše se na osnovu dozvoljenog pada vrednosti ovih karakteristika. Pouzdanost i vek trajanja motora odreñuje se najčešće na osnovu podataka ispitivanja u realnim uslovima korišćenja, a nešto reñe u laboratorijskim uslovima. Performanse motora tokom njegovog rada u početku rastu, zatim se stabilizuju, dostižu maksimum pa opadaju. Konstruktivna koncepcija motora, način izrade, način korišćenja i primenjena tehnologija održavanja u najvećoj meri utiču na performanse motora SUS i vek njegovog trajanja. Vek trajanja motora SUS može se odrediti samo na osnovu principa teorije pouzdanosti složenih sistema. Vek trajanja motora ugrañenih u malo pokretljive mašine (traktori i razne grañevinske mašine) ili za pogon stacionarnih mašina (pumpe, ventilatori,...) izražava se uglavnom u časovima njegovog rada. Poreñenje veka trajanja motora može se vršiti samo za iste uslove korišćenja. Svoñenjem časovnog istrošenja (hč) na jedinicu razvijene efektivne snage dobija se vrednost specifičnog istrošenja delova (he) koja ne zavisi od režima rada motora, jer se sa povećanjem snage motora povećava i časovno istrošenje: he =
h~ Pe
(8) Radni vek motora (t 2) i časovno istrošenje (hč ) zavise od radnih pogonskih veličina, pa samim tim i od kvaliteta rada motora. Koeficijent trajnosti rada motora (e m) može se izraziti preko specifičnog istrošenja (he) u obliku: ε m =
1
he
(9) Kvalitet rada ciklusa motora, u vezi sa toplotnim , strujnim i mehaničkim gubicima radnog procesa izražava se preko koeficijenta kvaliteta rada motora (z r). Kvalitet konstrukcije motora, u pogledu otpornosti na habanje, izražava se preko koeficijenta trajnosti rada motora (e m). Uvek se teži da motor radi sa što većim kvalitetom rada (izraženog preko z r) pri što većoj vrednosti trajnosti rada motora (izraženoj preko koeficijenta trajnosti rada). Da bi se obuhvatile sve kvalitativne pogonske veličine motora uvodi se tzv. koeficijent pogonskog kvaliteta motora (z p), koji predstavlja snagu koja se dobija iz jedinice radne zapremine, za jedinicu specifične potrošnje goriva i ulja i specifičnog istrošenja delova. ξ p = ξ r ⋅ ε m =
k ⋅ Pe ⋅ n g e ⋅ g u ⋅ he
(10) Usled smanjenja z r i em, što je posledica lošeg radnog stanja motora, u oblasti većih vrednosti zv dolazi do smanjenja vrednosti koeficijenta pogonskog kvaliteta z p. U toku rada motora pojavljuju se, pored procesa habanja i neki drugi mehanički procesi, toplotni, hemijski itd., koji utiču na pogoršavanje radnih veličina motora, a
samim tim dovode i do pogoršavanja funkcionalnih i pogonskih veličina, pa prema tome i do smanjenja pogonskog kvaliteta motora. U periodu razrañivanja motora dolazi do poboljšanja njegovih pogonskih veličina. Sve do trenutka potpune razgrañenosti motora njegove pogonske veličine se poboljšavaju. Potom nastupa vrlo sporo pogoršavanje ovi h veličina. Na osnovu praćenja promene koeficijenta pogonskog kvaliteta motora (kojima se izražava pogonski kvalitet motora), do trenutka potpune razrañenosti motora, može se utvrditi sposobnost njegovog trajnog rada. Motor poseduje dovoljnu sigurnost rada, ukoliko se pogonski kvalitet motora poboljšava (znači z p raste) do trenutka njegove potpune razrañenosti. Kao mera pogonske sigurnosti rada motora koristi se odnos vrednosti koeficijenta pogonskog kvaliteta koji se postiže posle perioda njegovog potpunog razrañivanja (z pk) i ove vrednosti pre početka razrañivanja motora (z po): σ p =
ξ pk ξ po
11) Na osnovu koeficijenta pogonske sigurnosti motora (s p), preko koga se izražava sigurnost rada motora, moguće je izvršiti klasifikaciju štetnih procesa u motoru prema tome da li se pogoršava kvalitet rada, povećava potrošnja ulja ili povećava habanje delova. Iz tog razloga koeficijent pogonske sigurnosti motora može se napisati u obliku proizvoda tri parcijalna koeficijenta pogonske sigurnosti: σ p = σ r ⋅ σ u ⋅ σ m
(12) Za utvrñivanje koeficijenta pogonske sigurnosti (s p) dovoljno je ispitati sigurnost rada motora (ova sigurnost se izražava preko koeficijenta sigurnosti rada motora s r). Ukoliko se želi utvrditi uzrok nedovoljne sigurnost rada motora potrebno je odrediti i koeficijent povećanja potrošnje ulja (s u) kao i vrednost koeficijenta povećanja pohabanosti delova motora (s m). Može se smatrati da je rad motora isravan ukoliko on može trajno da radi sa nominalnim vrednostima pogonskih veličina. Preko koeficijenta pogonskog kvaliteta rada motora (s p) i koeficijenta pogonske sigurnosti rada motora (sp) mogu se definisati karakteristike odreñenog motora (jednog predstavnika koji se serijski proizvodi ili motora koji se radi u malim količinama npr. brodskih motora). Za veliki broj motora, koji se koriste u različitim uslovima, neophodno je primenom statističkih metoda pratiti kvalitet njihovog rada, vek trajanja, pouzdanost i druge relevantne pokazatelje njihovog rada. U ovom slučaju, umesto koeficijenta pogonske sigurnosti, kojim se definiše pouzdanost i sigurnost jednog motora, odreñuje se pouzdanost motora pri korišćenju.
3. ZAKLJUČAK
Kvalitet rada motora sus, iskazuje se preko efektivnog stepena iskorišćenja, koji ukazuje na postojanje mehaničkih i termodinamičkih gubitaka u njemu, ali i preko stepena iskorišćenja radnog prostora motora u vidu specifične ili litarske snage. Pouzdanost rada motora i vek njegovog trajanja, u prvom redu zavise od konstrukcije, primenjenih materijala i tehnologije izrade, kao i od načina održavanja i uslova njegovog korišćenja. Karakteristike motora sus kojima se definiše odnos motora i mašine koja koristi njegovu energiju, odreñuje se primenom tzv. pogonskih karakteristika motora. Karakteristike motora preko kojih se definiše odnos motora prema okolini predstavljaju tzv. upotrebne karakteristike. Upotrebne i pogonske karakteristike motora predstavljaju tzv. veličine korišćenja. Pored upotrebnih i pogonskih karakteristika motora sreću se i tzv. dinamičke karakteristike motora. Njima se opisuju upotrebne i pogonske karakteristike pri promenljivim režimima rada. Pogonski kvalitet motora sus ispoljava se preko funkcionalnosti i pogodnosti ugradnje. Kvalitet rada motora izražava se preko tzv. pogonskih veličina.
LITERATURA 1 ]
M. Tomić,S. Petrović: Motori sa unutrašnjim sagorevanjem, Mašinski fakultet,B eograd,1994.
2 ]
B. Krstić: Eksploatacija motornih vozila i motora, Mašinski fakultet, Kragujevac,1997.
3 ]
R. Trifunović: Eksploatacija motora I deo, Mašinski fakultet, Beograd, 1983. Prospektni materijali renomiranih proizvoñača motora sus
4 ]
A. A. Lipgart: Dolgovečnost avtomobilei, Mašgiz, Moskva, 1961.
