INTERNACIONALNI INTERNACIONALNI UNIVERZITET U TRAVNIKU FAKULTET POLITEHNIČKIH NAUKA SMJER: Mašinstvo/ Motori i vozila Predmet: MOTORI SUS
Šk. godina 2014/2015
SEMINARSKI RAD
KOMPRESIJA NA POGONSKOM ELEMENTU VOZILA
Student:
Šehić Emir Broj indexa: PT-86/13-I
Pregledao:
Doc.dr.sc. Fuad Klisura Travnik; decembar, 2014. godine.
______________________ _____________________________ _______ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
SEMINARSKI RAD
KOMPRESIJA NA POGONSKOM ELEMENTU VOZILA
Travnik; decembar, 2014. godine.
______________________ _________________________________ _______________________ _______________________ ______________________ _____________________ __________ 3
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
SADRŽAJ: UVOD 1. MOTORI SUS ...........................................................................................................................3 1.1. Osnovni elementi radnog prostora motora SUS.....................................................................3 1.2. Radni ciklus motora SUS........................................................................................................ 4 1.3. Procesi u motorima SUS ........................................................................................................5 1.3.1. Idealni procesi motora SUS ................................................................................... 5 1.3.2. Stvarni procesi motora SUS ................................................................................... 7 1.4. Efikasnost rada motora SUS ................................................................................................. 9
2. KOMPRESIJA (SABIJANJE) ...................................................................................................... 11 2.1. Proces sabijanja .................................................................................................................. 11 2.2. Pritisak i temperature na kraju procesa sabijanja ................................................................ 12 2.3. Stepen sabijanja (kompresije) ............................................................................................. 12 2.4. Efikasnost kompresije motora ............................................................................................. 13 a.) Stepen sabijanja ........................................................................................................ 13 b.) Karakteristike goriva ................................................................................................ 13 c.) Zaptivenost komore za sagorjevanje .......................................................................... 15 d.) Broj obrtaja motora ................................................................................................. 16 e.) Količina usisanog vazduha ....................................................................................... 16 2.5. Mjerenje kompresije...........................................................................................................16 2.5.1. Mjerenje kompresije motometrom ........................................................................ 18 a.) Postupak mjerenja .................................................................................................... 19 b.) Očitavanje i tumačenje rezultata ....... ........................................................................ 19
REZIME ...................................................................................................................................... 20 POPIS SLIKA............................................................................................................................... 21 POPIS TABELA ...........................................................................................................................21 LITERATURA
_____________________________________________________________________________ 4
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
UVOD Osnovni zadatak procesa sabijanja (kompresije) radne smjese je da se stvore što bolji uslovi za njeno sagorjevanje. Kakvo će biti sagorjevanje zavisi prvenstveno od pritiska na kraju procesa sabijanja. Što je veći pritisak na kraju sabijanja, prije paljenja smjese, to je efikasnost motora veća, odnosno veće je iskorištenje energije goriva. Kod benzinskih Otto motora maksimalni pritisak sabijanja ograničen je uslovom da ne dođe do detonantnog sagorjevanja. Kod Diesel motora sabijanje mora biti dovoljno da se vazduh zagrije toliko da dođe do paljenja ubrizganog goriva, ali ne previsoko da ne dođe do preopterećenja elemenata motora. Osim goriva na uslove procesa sabijanja utiću i drugi faktori kao dimenzije i oblik radnog prostora motora te istrošenost dijelova koji sačinjavaju taj radni prostor. Stepen sabijanja (kompresije) je odnos zapremine u cilindru kada se klip nalazi u donjoj mrtvoj tački (UMT) i zapremine kada se klip nalazi u gornjoj mrtvoj tački (SMT). U okviru ovog seminarskog rada dat je kratak opis rada motora SUS, pokazatelji kojima se ocjenjuje efikasnost rada ovih motora, proces sabijanja (kompresije), uticajni faktori, metode mjerenja kompresije kao i načini održavanja i otklanjanja kvarova u radu motora u slučaju pada pritiska na kraju procesa sabijanja.
_____________________________________________________________________________ 5
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
1. MOTORI SUS 1.1. OSNOVNI ELEMENTI RADNOG PROSTORA MOTORA SUS Motori sa unutarnjim sagorjevanjem (motori SUS) spadaju u grupu toplotnih motora kod kojih se toplotna energija sadržana u gorivu, posredstvom sagorjevanja pretvara u potencijalnu energiju radnog fluida, a zatim putem ekspanzije radnog fluida u korisnu mehaničku energiju. Osnovni elementi radnog prostora motora SUS prikazani na slici 1.1.: 1. Klip; 6. Karter 2. Klipnjača; 7. Kučište, blok motora 3. Koljenasto vratilo, radilica; 8. Usisni ventil; 4. Cilindar (košuljica); 9. Izduvni ventil 5. Glava cilindra;
Slika 1.1. Osnovni elementi radnog prostora motora sus [1] Gornja (GMT) i donja (DMT) mrtva tačka su položaji mehanizma klipa, klipnjače i letećeg rukavca koljenastog vratila (radilice) pri kojima se pravac uzdužne ose klipnjače poklapa sa pravcem uzdužne ose klipa i pravcem uzdužne ose letećeg rukavca radilice. Rastojanje od gornje mrtve tačke do donje mrtve tačke naziva se hod klipa , pri čemu je [5]: = 2 =
(1)
Zapremina cilindra koju opisuje gornja površina klipa pri kretanju od gornje do donje mrtve tačke naziva se radna zapremina , izračunava se prema izrazu [5]: =
4
[ ]
(2)
- , -prečnik cilindra (dm) Zbir radnih zapremina svih cilindara u motoru, ako se izrazi u litrima, predstavlja litarsku zapreminu motora [5]: = . =
4
[ ]
(3)
- , - broj cilindara u motoru Zapremina iznad klipa, kada se on nalazi u GMT, naziva se kompresioni prostor i označava se sa . Ukupna zapremina motora se definiše kao zbir njegove radne zapremine i zapremine kompresionog prostora i označava se sa [5]: = + [ ] (4) _____________________________________________________________________________ 6
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
1.2. RADNI CIKLUS MOTORA SUS Teorijski posmatrano, radni ciklus motora SUS se sastoji od četiri osnovne radnje ili operacije: a. Usisavanje b. Kompresija (sabijanje) c. Ekspanzija (sagorjevanje I širenje) d. Izduvavanje Razlike između pojedinih tipova motora su u vremenu, mjestu i načinu vršenja ovih operacija. Ukupno trajanje radnog ciklusa izražava se pomoću zakreta koljenastog vratila motora i iznosi: - dva obrtaja radilice kod četverotaktnih motora i - jedan obrtaj radilice kod dvotaktnih motora. Takt se definiše kao jedno kretanje klipa od jednog do drugog krajnjeg položaja, odnosno od gornje mrtve tačke (GMT) do donje mrtve tačke (DMT) ili obratno, što odgovara zakretu radilice od 180. Na slici 1.2. prikazan je radni ciklus četverotaktnog motora. U prvom taktu (usisavanje) klip se kreće od GMT do DMT, u cilindru nastaje podpritisak koji kroz otvoreni usisni ventil uvlači radni fluid. On se u cilindru mješa sa produktima sagorjevanja zaostalim od prethodnog takta.
a. usisavanje b. kompresija c ekspanzija d. izduvavanje Slika 1.2. Radni ciklus četverotaktnog motora [2] U drugom taktu (kompresija) klip se kreće prema GMT i komprimira radni fluid u cilindru usljed čega dolazi do porasta pritiska i temperature. Malo prije GMT počinje proces sagorjevanja i traje dok se klip nalazi u okolici GMT pa samo sgorjevanje i nije takt. U trećem taktu usljed sagorjevanja u cilindru raste temperature i pritisak, dolazi do ekspanzije, hemijska energija radnog fluida se pretvara u mehanički rad, klip preko osovinice i klipnjače okreće radilicu motora. U četvrtom taktu klip se kreće od DMT prema GMT i pri tome kroz otvoreni izduvni ventil istiskuje sagorjele plinove radnog fluida iz cilindra. Ovisno o napunjenosti cilindra veći dio plinova izlazi trenutno iz cilindra zbog razlike pritisaka ispred i iza izduvnog ventila. _____________________________________________________________________________ 7
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
Dva takta, usisavanje i izduvavanje služe samo za izmjenu radnog fluida u cilindru i beskorisni su za proizvodnju mehaničkog rada. Na slici 1.3. prikazan je radni ciklus dvotaktnog motora. Kod dvotaktnog motora izduvavanje i usisavanje se odvijaju istovremeno kada je klip u okolici DMT, pa cijeli ciklus traje samo jedan obrtaj koljenastog vratila. Istovremeno izduvavanje i usisavanje se naziva ispiranjem. Kompresija počinje u trenutku zatvaranja izduvnog kanala (3), kojeg zatvara klip pri svom kretanju prema gore i traje do nešto prije GMT kada dolazi do ubrizgavanja ili paljenja radnog fluida. Klip inercijom prolazi GMT, nakon čega se počinje kretati prema DMT (ekspanzija). Ekspanzija završava u trenutku otvaranja izduvnog kanala. Neposredno nakon otvaranja izduvnog kanala otvara se usisni kanal (2) kroz koji ulazi svježa masa radnog fluida čime počinje izmjena medija u cilindru. U svom kretanju prema dole klip otvara ispirne kanale (1), radni medij koji je bio usisan ispod klipa ulazi u prostor cilindra i ispire cilindar od preostalih plinova. U toku kretanja oko DMT svi kanali su otvoreni te dio zraka ili radnog fluida odlazi u izduvni kanal (3). Kretanjem prema GMT, klip prvo zatvara ispirne, a zatim i izduvne kanale nakon čega ponovo počinje kompresija.
a. SMT položaj klipa b. UMT položaj klipa Slika 1.3. Radni proces dvotaktnog motora [2] 1.3. PROCESI U MOTORIMA SUS Procesi u motorima SUS mogu se promatrati kao: -
Idealni procesi, zamišljeni procesi koji se odvijaju u zatvorenim termodinamičkim sistemima kod kojih nema izmjene toplote između motora i okoline, Realni procesi koji nalikuju stvarnim procesima u motoru kod kojih postoji izmjena toplote između motora i okoline odnosno motor se promatra kao otvoreni termodinamički sistem.
1.3.1. Idealni procesi motora SUS Idealni procesi ( slika 1.4.) se upotrebljavaju kao referentni procesi stvarnih motora u pojednostavljenim razmatranjima radi njihovog međusobnog uspoređivanja i definiranja teorijskih granica u kojima se odvijaju. Razlikujemo: _____________________________________________________________________________ 8
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
-
a.) proces sa dovođenjem i odvođenjem toplote pri = . , Ottov idealni proces, Otto motor, b.) proces sa dovođenjem toplote pri = . i odvođenjem toplote pri = ., Dieselov idealni process, Diesel motor c.) proces sa kombinovanim dovođenjem toplote pri = . i = ., Sabatheov idealni process,
a.) Idealni ciklus sa dovođenjem toplote pri = . Otto ciklus
b.) Idealni ciklus sa dovođenjem toplote pri = . (Diesel ciklus)
c.) Idealni ciklus sa kombinovanim dovođenjem toplote = . , = . (Sabathe ciklus) Slika 1.4. Idealni procesi motora sa unutrašnjim sagorjevanjem [1] _____________________________________________________________________________ 9
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
Opis teoretskog ciklusa četverotaktnog motora prema slici 1.4.: -
-
-
-
Usisavanje → , prvi takt, Tačka , teoretsko, trenutno otvaranje usisnog ventila i zatvarnje izduvnog ventila, Kretanje klipa → , odnosno od GMT ka DMT, usisavanje atmosferskog zraka, Tačka , završetak usisavanja, teoretsko, trenutno zatvaranje usisnog ventila, Kompresija (sabijanje) → , drugi takt Kretanje klipa → , odnosno od DMT do GMT, kompresija (sabijanje) smjese goriva i zraka kod Otto procesa ili samo zraka kod Diesel procesa, porast pritiska i temperature, u opštem slučaju izentropska promjena stanja, entropija = ; jednačina stanja = . Sagorjevanje i ekspanzija → , treći takt Tačka , kraj procesa sabijanja, trenutno paljenje smjese goriva i zraka (Otto proces) ili trenutno ubrizgavanje goriva (Diesel proces) Proces sagorjevanja → , po izohori = ., za Otto proces, a kod Diesel proces sagorjevanje po izobari = ., sagorjevanje → , → , kombinovano po izohori i izobari za Sabatheov proces. Tačka , kraj procesa sagorjevanja i početak ekspanzije (Otto proces), kraj procesa sagorjevanja i jednog dijela ekspanzije i nastavak ekspanzije za Diesel i Sabatheov proces. Kretanje klipa od , ( ), ( , ) → , odnosno od GMT do DMT, ekspanzija (širenje), u opštem slučaju izentropska promjena stanja, entropija = . = . Izduvavanje → , četvrti takt Tačka , kraj ekspanzije, teorijski, trenutno otvaranje izduvnog ventila, Nagli, trenutni pad pritiska → , po izohori = . za sve procese, Tačka , pritisak u cilindru jednak atmosferskom, Kretanje klipa → , od DMT do GMT, potiskivanje sagorjelih plinova kroz otvoreni izduvni ventil.
Sabatheov proces je referentni proces za sve Dieselove motore, dok se za Ottove motore kao referentni proces primjenjuje Ottov proces. S obzirom da proizvođači intezivno rade na razvoju motora koji usisavaju gorivu smjesu i u kojima se ta smjesa pali usljed povećanja temperature može se očekivati da će Sabatheov proces postati referenca za sve klipne motore. Dieselov proces ima samo povjesni značaj nijedan motor danas ne radi po ovom procesu. 1.3.2. Stvarni proces motora SUS Stvarni procesi u motoru SUS se znatno razlikuju od teorijskih termodinamičkih procesa. Na odstupanje stvarnih procesa od idealnih utiče niz faktora kao: 1. Radni fluid nije idealan gas, nego smjesa zraka goriva i produkata sagorjevanja i mjenja se tokom procesa, 2. U toku odvijanja procesa vrši se prenos toplote sa radnog fluida na okolinu i obratno, otvoreni termodinamički sistem, 3. Vrijeme izgaranja je konačno i produžava se u taktu širenja sa dodatnim oslabađanjem toplote, 4. Manje iskorištenje toplote usljed nepotpunog sagorjevanja i pojave disocijacije itd. _____________________________________________________________________________ 10
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
Zajedničke karakteristike idealnog i stvarnog procesa su količina dovedene toplote I stepen kompresije. Parametri koji karakterišu odvijanje pojedinih stvarnih procesa u ciklusu kao i ciklusa u cjelini mogu se dobiti snimanjem pomoću posebnih uređaja koji pokazuju (indiciraju) promjene pritiska u cilindru u vremenu (a. dijagram − ), ugla koljenastog vratila (b. dijagram − ) i promjene zapremine (c. dijagram − ). Ovakvi dijagrami se nazivaju indikatorski dijagrami. Tipičan primjer indikatorskog dijagrama su dijagrami u okolini procesa sabijanje – sagorjevanje – ekspanzija prikazani na slici 1.5.a i b.
a. Indikatorski dijagram pritiska u zavisnosti od vremena ( − )
b. Indikatorski dijagram pritiska u zavisnosti od ugla radilice ( − )
c. Indikatorski dijagram ( − ) sa detaljem razvoda Slika 1.5. Stvarni indikatorski dijagrami četverotaktnog motora [1] Pored ranije opisanih tačaka važnije tačke indikatorskog dijagrama: 1. Početak usisavanja 4. Početak izduvavanja 2. Početak sabijanja 5. Kraj izduvavanja 3. Početak procesa sagorjevanja _____________________________________________________________________________ 11
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
1.4. EFIKASNOST RADA MOTORA SUS Efikasnost rada motora SUS kao termodinamičkog sistema ocjenjuje se njegovim termodinamičkim stepenom korisnog dejstva ( ), i izvršenim radom ( ). Veći stepen korisnosti znači da je veći dio dovedene količine pretvoren u koristan rad pa je prema tome i snaga motora veća. Termodinamički stepen korisnosti ( ), kod idealnih procesa definiše se kao odnos korisnog rada () i dovedene toplote () [1]: =
=
−
= 1−
(5)
gdje je: , izvršeni rad koji se definiše kao razlika dovedene i odvedene količine toplote = − = =
(6)
gdje je prema slici 1.6.: - ,- srednji pritisak ciklusa, predstavlja neki fiktivni konstantni pritisak koji bi djelujući na površinu klipa u toku jednog hoda izvršio isti rad koji se inače ostvari za čitav ciklus pri promjenjivom pritisku u cilindru.
Slika 1.6. Uopšteni dijagram idealnog ciklusa motora [1] Na osnovu jednačina stanja i karakterističnih parametara dolazi se do jednačina za termodinamički stepen iskorištenja: -
Za slučaj dovođenja i odvođenja toplote pri: = . [1]: = 1 −
1
(7)
_____________________________________________________________________________ 12
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
-
Za slučaj dovođenja toplote pri: = . [1]: = 1 −
-
− 1 ( − 1)
(8)
Za slučaj kombinovanog dovođenja i odvođenja toplote pri: = . i = .: − 1 = 1 − [( − 1) + ( − 1)]
(9)
gdje je prema slici 1.6.: - , - stepen sabijanja (stepen kompresije) [5]: =
-
(10)
Stepen povećanja pritiska u toku dovođenja toplote pri = . [1]:
=
-
(11)
Stepen prethodnog širenja pri odvođenju toplote kod = . [1]: =
(12)
Navedni izrazi vrijede samo kod idealnih procesa. Kod stvarnih procesa koristan rad u cilindru predstavlja se kao indicirani rad , a stepen korisnog djelovanja stvarnog procesa kao indicirani stepen djelovanja , koji je jednak [1]: =
=
=
(13)
gdje je: - = ⁄ , - stepen savršenstva. Indicirani rad proizveden u cilindru motora troši se na pokrivanje mehaničkih gubitaka i rad potreban za pogon radilice motora, odnosno rad na pogonskom elementu koji se nazivana efektivni rad [1]. (14)
= +
Mehanički gubici u motoru predstavljaju se mehaničkim stepenom djelovanja , kao odnos efektivnog rada na pogonskom elementu motora i indiciranog rada ili kao odnos odgovarajućij srednjih pritisaka ili kao odnos snaga [1]: =
=
=
(15)
Ukupna se efikasnost motora na pogonskom elementu izražava efektivnim stepenom djelovanja , koji se dobija kao odnos efektivnog rada na pogonskom element i gorivom ukupne dovedene količine toplote [1]: _____________________________________________________________________________ 13
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
=
=
= =
(16)
Polazeći od pretpostavke da je dovedena toplota jednaka za sve cikluse, najveća odvedena toplota (rad) je kod Otto idealnog ciklusa na osnovu čega se stiče zaključak da je idealni Ottov ciklus najekonomičniji. U stvarnosti je Diesel motor za kojeg važi idealni Sabatheov ciklus ekonomičniji jer ima približno dvostruko veći kompresijski odnos.
2. KOMPRESIJA (SABIJANJE) 2.1. PROCES SABIJANJA Osnovni zadatak procesa sabijanja (kompresije) radne smjese je da se stvore što bolji uslovi za njeno sagorjevanje. Proces sabijanja može da se odvija po adijabati, izotermi i politropi. Stvarni realni proces sabijanja se odvija po politropi sa promjenjivim eksponentom politrope tokom procesa. Na slici 2.1. prikazana je promjena eksponenta politrope pri kretanju klipa od DMT do GMT. U uslovima kada motor radi pod nazivnim opterećenjem , zagrijan na radnu temperaturu, na početku kompresije stjenke cilindra su toplije od svježeg punjenja, toplota prelazi sa stjenki cilindra na radnu smjesu pa je > . Sa kretanjem klipa prema GMT raste pritisak i temperatura smjese pa se njihova temperatura i temperature cilindara izjednačavaju te je = . U preostalom dijelu kompresije stjenka cilindra hladi smjesu pa je < .
Slika 2.1. Kompresija (sabijanje) [2] Da bi se proračuni uprostili, uzima se da je koeficijent politrope konstantan i njegov izbor se vrši tako da je proces sabijanja što bliži stvarnom stanju. Na veličinu ovog koeficijenta utiču opterečenje motora, broj obrtaja radilice, intenzitet hlađenja, oblik komore za sagorjevanje, istrošenost dijelova itd.
_____________________________________________________________________________ 14
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
Srednje vrijednosti eksponenta politrope: - ≈ 1,3 … 1,37 kod Otto motora koji usisavaju gorivu smjesu - ≈ 1,35 … 1,39 kod Diesel motora koji usisavaju zrak. Manje vrijednosti uzimaju se za manje prečnike cilindara a veće vrijednosti za veće prečnike cilindara. 2.2. PRITISAK I TEMPERATURA NA KRAJU PROCESA SABIJANJA Pritisak i temperature na kraju procesa sabijanja određujemo polazeći od jednačine politrope za krajnje tačke procesa i od jednačina stanja u krajnjim tačkama prema slici 2.1. [3]: =
(17)
=
(18)
gdje je: - , , - pritisak i temperature u cilindru kada je klip u DMT, - , - srednji eksponent politropske kompresije u cilindru. Eksperimentalne vrijednosti za pritisak i temperaturu na kraju procesa sabijanja iznose prema [5]: -
Za Otto motor: Za Diesel motor:
= 330 . . . 510 0C = 480 . . . 630 0C
= 7 . . . 18 bar, = 30 . . . 56 bar,
2.3. STEPEN SABIJANJA (KOMPRESIJE) Stepen sabijanja je odnos zapremine u cilindru kada se klip nalazi u donjoj mrtvoj tački (DMT) i zapremine kada se klip nalazi u gornjoj mrtvoj tački (GMT). Stepen kompresije je bezdimenzionalna geometrijska karakteristika koja se može naći u prospektima ili katalozima proizvođača i nije promjenljiv tokom vremena ukoliko nije bilo intervencija na prostoru za sagorjevanje. Računa se prema izrazi (4): =
-
=
+
=1 +
(19)
gdje je prema slici 1.1: , ukupna zapremina cilindra iznad klipa kada se on nalazi u UMT, , zapremina cilindra iznad klipa kada se on nalazi u SMT ili kompresioni prostor ili zapremina komore za sagorjevanje, , zapremina cilindra koju opisuje klip kada se on kreće od UMT do SMT.
Na primjer, kada se piše da je stepen kompresije 8,5:1 to znači da je zapremina iznad klipa kada se on nalazi GMT osam i po puta manja od zapremine kada se klip nalazi u DMT. Kod automobilskih motora vrijednosti stepena kompresije iznose [2]: _____________________________________________________________________________ 15
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
-
Za Otto motor: Za Diesel motor: Za Diesel motore sa komorom
= 8 . . . 12 = 16 . . . 19 = 21 . . . 23
2.4. EFIKASNOST KOMPRESIJE MOTORA Da bi motor bio efikasan, ekonomičan i ekološki podoban, potrebno mu je obezbjediti pravilnu smješu goriva i vazduha, izvršiti njeno sabijanja na optimalan pritisak, a zatim izvršiti paljenje te smjese u pravom trenutku. Osnovni parameter za ocjenu procesa sabijanja (kompresije) je pritisak radne smjese u cilindru na kraju procesa sabijanja. Što je veći pritisak na kraju takta sabijanja, pre paljenja radne smjese, to je efikasnost (snaga) motora veća, odnosno iskorištenje energije goriva je bolje. Takođe, nejednak pritisak sabijanja u cilindrima motora uzrokuje nemiran rad motora u cijelom opsegu broja obrtaja. Efikasnost kompresije motora, a time i veličina pritiska sabijanja zavisi od: a.) Stepena sabijanja ( ), b.) Karakteristike goriva, c.) Zaptivenost komore za sagorjevanje d.) Broj obrtaja motora e.) Količina usisanog vazduha a.) Stepen sabijanja (), Logično je da motor koji ima veći stepen kompresije na kraju takta sabijanja stvara viši pritisak u cilindru nego onaj sa manjim stepeniom kompresije. Stoga, dizel motori stvaraju viši pritisak nego benzinski motori. Na slici 2.2. prikazana je zavisnost termodinamičkog stepena korisnosti od stepena sabijanja za = 1,41 . Ukoliko je stepen sabijanja veći, veći je i stepen korisnosti. Povećanje stepena sabijanja iznad 18 nije više ekonomično, jer je prirast neznatan, a zbog visokih temperature i pritisaka pri kojima bi se ciklus odvijao, javljaju su visoka mehanička i termička opterečenja. b.) Karakteristike goriva Poznato je da Otto motori troše benzin za pogon, a u diesel motorima sagorjeva dizel gorivo. Takođe prema 2.3. ovog rada Otto motori imaju skoro duplo manji stepen sabijanja u odnosu na diesel motore. Ova razlika u stepenu sabijanja upravo je posljedica karakteristika goriva koje koriste motori. Naime, kod Otto motora prilikom sabijanja radne smjese (benzin i vazduha za sagorjevanje) dolazi do njenog zagrijavanja. Što je zegrijavanje viće, veća je opasnost od samozapaljenja radne smjese, bilo da je svjećica bacila iskru ili ne. Samozapaljenje goriva uzrokuje eksplozivno sagorjevanja i razornu detonaciju. Na otpornost radne smjese od _____________________________________________________________________________ 16
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
samozapaljenja utiče sam sastav radne smjese. Otpornost goriva na detonaciju označava se oktanskim brojem (OB). Goriva sa većim OB imaju veću otpornost na detonaciju.
Slika 2.2. Zavisnost kod idealnog ciklusa od stepena sabijanja [1] Benzini sa 86, 95 i 98 oktana ne razlikuju se po kvalitetu, sadržaju oktana ili snazi nego samo po njihovoj otpornosti na detonaciju. Koliki je minimalni OB goriva koji se smije koristiti u nekom motoru propisuje njegov proizvođač. Motori sa većim OB imaju veći stepen sabijanja, a time i veći pritisak sabijanja i povoljnije uslove sagorjevanja. Oktan je preskupo hemijsko jedinjenje koje ima OB 100 I koristi se samo pri laboratorijskim ispitivanjima. Otpornost benzina na detonaciju povećava se dodavanjem nekoliko procenata aditiva izuzetno otpornih na detonaciju. Dodavanje otrovnih aditiva koji sadrže olovo počelo je još 1922. Godine, a u Evropi je završilo 2000. Godine, sem nekih izuzetaka. Bezolovni benzini sadrže additive koji se baziraju na nemetalnim jedinjenjima. Kod diesel motora imamo suprotnu situaciju. Diesel gorivo treba što lakše da se upali u sabijenom ugrijanom vazduhu, tj. paljenje goriva treba što manje da kasni od trenutka ubrizgavanja . Ako gorivo kasni više sa paljenjem tvrđi je rad motora. Mjera kašnjenja paljenja diesel goriva definiše se cetanskim brojem (CB). Što je cetanski broj veći kašnjenje je manje. Preporučuju se CB goriva za savremene diesel motore veći od 50. Kvaliteta goriva za motorna vozila određena je normama koje je objavio CEN (Europski odbor za normizaciju). Prva grupa norma usvojena je od članica Europske unije 1993. god ine. Tri norme značajne su za kvalitetu goriva za motorna vozila, to su: EN 228 za benzin, EN 590 za dizelsko gorivo i EN 589 za motorni ukapljeni naftni plin. Ove norme povremeno se ažuriraju u skladu s promjenama u specifikacijama, kao što su obvezna smanjenja udjela sumpora. _____________________________________________________________________________ 17
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
Norma EN 590 uvedena je zajedno s europskim normama za emisije. Sa svakom revizijom norme, došlo je do smanjenja sadržaja sumpora u dizelskom gorivu - od 2007. godine naziva se dizelsko gorivo s ultra niskim sadržajem sumpora jer je ranija funkcija sumpora kao maziva prebačena na odgovarajuće aditive. U tabeli 1. prikazan je dozvoljeni sadržaj sumpora sa datumom obavezne primjene. Tabela 1. Sadržaj sumpora u gorivu sa obavezujućom primjenom [2]
c.) Zaptivenost komore za sagorjevanje Sabijanjem, smanjuje se zapremina komore za sagorjevanje. Posljedica smanjenja zapremine je povećanje pritiska radne smjese te ukoliko nemamo dobru zaptivenost doći će do “istjecanja” radne smjese iz komore za sagorjevanje I gubitka pritiska sabijanja
a.) Zazori klipnih prstenova, b.) Površine nalijeganja ventila cilindra motora i bloka motora Slika 2.3. Gubitak pritiska u komori za sagorjevanje [3] Prema slici 2.3. do istjecanja radne smjese dolazi kroz zazore između klipnih prstenova i cilindra motora (a) te gubitak pritiska na površinama nalijeganja usisnih i izduvnih ventila sa blokom motora (b).
_____________________________________________________________________________ 18
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
Da bi se izbjegla opasnost od grebanja i zaribavanja i kod novog motora mora postojati odgovarajuća zračnost između klipnih prstenova i cilindra motora iz razloga šte se zaptivanje ostvaruje između dva metala. Osim ove zračnosti, tvornički je ostavljena minimalna zračnost na krajevima prstenova. Prilikom eksploatacije, zračnost se povečava zbog porasta temperature čime se dodatno gubi pritisak unutar komore za sagorjevanje. Uzrok većeg gubitka pritiska je posljedica istrošenosti cilindara i klipnih prstenova nakon čega zavisno o motoru i izmjerenoj kompresiji treba donijeti odluku o otvaranju motora. I u drugom slučaju imamo zaptivanje komore za sagorjevanje između dva metala. Ako su ventili i sjedišta ventila dobro obrađeni gubici pritiska su zanemarivi ili jednaki nuli. U suprotnom doći će do gubitka pritiska koji se dodatno povećava usljed stvaranja tvrdih i poroznih naslaga na sjedištima. Naslage se redovno javljaju kod Otto motora, a kod Diesel motora nema stvaranja ovih naslaga jer je ista relativno mekana I ne smeta pri zaptivanju. Osim navedenog do gubitka pritiska može doći kroz dihtung glave motora ili kroz klip motora. U oba slučaja radi se o oštećenjima koja treba otkloniti. d.) Broj obrtaja motora Pri sporom obrtanju motora koljenastog vratila, vazduh ima dovoljno vremena da procure i pored ispravnih klipnih prstenova. Šema razvoda ventila je podešena za razmjenu radne smjese pri većim obrtajima nego što je starter u stanju da postigne, pa tada vazduh m ože da napusti cilindar i kroz još nezatvorene usisne ventile. e.) Količina usisanog vazduha Pritisak sabijanja zavisi od količine usisanog vazduha. Ukoliko je količina usisanog vazduha manja, manji je i pritisak sabijanja. Manja količina vazduha je posljedica otežanog ulaza vazduha u prostor za sagorjevanje, zatvoren leptir usisa, zaprljan filter zraka, prignječena crijeva usisa utd. 2.5. MJERENJE KOMPRESIJE Kontrola procesa sabijanja svodi se na kontrolu, mjerenje pritiska sabijanja. Mjerenjem pritiska sabijanja (kompresije) dobija se stanje osnovnih sklopova motora. Ako je motor u dobrom stanju onda će izmjerena kompresija u svim cilindrima biti podjednaka i pri tome biti bar jednaka najmanjoj vrijednosti pritiska koju propisuje proizvođač motora. Metode mjerenja kompresije: 1. Mjerenje kompresije motometrom, 2. Metoda mjerenja relativne kompresije 3. Metoda mjerenja kompresije komprimiranim zrakom. Mjerenje kompresije motometrom je najrašireniji način mjerenja kompresije i ista je opisana u tački 2.5.1. ovog rada.
_____________________________________________________________________________ 19
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
Mjerenje relativne kompresije podrazumjeva usporedbu pritisaka sabijanja pojedinih cilindara motora pri čemu se ne mjeri i nije poznata vrijednost pritiska sabijanja. Cilindar sa najvećom kompresijom se označi sa 100 %, a svi ostali imaju istu ili manju vrijednost izraženu u procentima. Na slici 2.4. prikazana je kompletna oprema za dijagnostiku i rezultati mjerenja kompresije.
a.) Oprema za dijagnostiku b.) Rezultati mjerenja Slika 2.4. Mjerenje relativne kompresije [3] Slika 2.4.a. prikazuje rezultate mjerenja kompresije za motor sa četiri cilindra. Najbolji cilindar ima vrijednost 100%, a ostali isti ili manji postotak. Granica prihvatljive ujednačenosti je 80%. Ova metoda se koristi kada je potrebno brzo provjeriti da li motor zadovoljava tvorničke norme u smislu ujednačenosti rada cilindara. Prednost metode je što nema potrebe za rastavljanjem dijelova motora i ne pravi razlike između Otto i Diesel motora. Mjerenje komprimiranim zrakom podrazumjeva mjerenje zapreminskih gubitaka zraka u cilindru i tako na posredan naćin dobija informacija o stanju motora. Za mjerenje je potrebno imati poseban instrument prikazan na slici 2.5. i spremnik komprimiranog zraka.
Slika 2.5. Instrument za mjerenje kompresije komprimiranim zrakom [3] Nakon spajanja instrumenta na spremnik komprimiranog zraka i na otvor za svječice ili brizgaljke pusti se zrak i na manometru se očitava procenat istjecanja zraka. Ta vrijednost ne bi smjela biti manja od 20%, a najbolji motori imaju vrijednost 3-5%. _____________________________________________________________________________ 20
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
2.5.1. Mjerenje kompresije motometrom Pritisak na kraju takta sabijanja mjeri se namjenskim instrumentom (motometrom), pripadajućim priključcima i adapterima prikazanim na slici 2.6. Pritisak se mjeri u svakom cilindru, a izmjerene vrijednosti se bilježe na malom kartonu sa označenim vrijednosti.
a. Motometar za Otto i Diesel motore
b. Produžeci za Otto i Diesel motore
c. Adapteri za Otto motore
d. Priključci i adapteri za Diesel motore 2.6. Aparatura za mjerenje kompresije motometrom [] _____________________________________________________________________________ 21
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
a.) Postupak mjerenja Pri mjerenju motometrom potrebno je slijediti sljedeće korake: 1. Provjeriti stanje startera i akumulatora da bi se obezbjedio odgovarajući broj obrtaja tokom testiranja, 2. Zagrijati motor na normalnu radnu temperature, 3. Demontaža svih svječica za Otto motore odnosno brizgaljke ili grijače za Diesel motore, 4. Prema tipu i konstrukciji motora, na odgovarajući način i u skladu sa servisnim upustvom, spriječiti napajanje gorivom i nastanak visokog napona na kablovima svječica. Nesagorjelo gorivo moglo bi oštetiti katalizator. Ovo se posebno odnosi na motore sa elektronskim upravljanjem sistemima za napajanje gorivom i paljenje. 5. Priključiti instrument na prvi cilindar sa odgovarajućim crijevima i adapterima i sa potpuno otvorenim leptirom pokretati motor starterom sve dok pritisak koji instrument pokazuje ne prestane da raste. Kod ispravnog motora za to je dovoljno samo nekoliko obrtaja koljenastog vratila. Treba obratiti pažnju da može doći do prskanja goriva, ulja ili rashladne tečnosti pod pritiskom iz otvora koji nisu zatvoreni. Da bi se prskanje izbjeglo treba motor prije početka testa izvrtjeti na prazno, a tokom ispitivanja skloniti se sa pravca otvora svječica, brizgaljki ili grijača. 6. Ponoviti test na ostalim cilindrima poslije ispuštanja zraka iz instrumenta. b.) Očitanje i tumačenje rezultata Motor sa odličnom kompresijom je onaj koji postiže maksimalni ili skoro maksimalni predviđeni pritisak sabijanja. Orjentacione vrijednosti pritiska sabijanja se kreću od 8-14 bar za benzinske motore, a kod diesel putničkih automobila oko 30 bar, kod turbodizela malo manje oko 25 bar. U servisnim upustvima se obično nalaze vrijednosti koje bi trebalo dobiti, pod uslovom da je motor ispravan i da je postupak izveden korektno. Na slici 2.7. prikazani su
a.
b.
c.
d.
e.
Slika 2.7. Rezultati mjerenja kompresije motometrom [3] rezultati mjerenja kompresije u nekoliko slučajeva u vidu zapisa na kartici koja je napravljena od voštanog papira. Rezulati mjerenja pokazuju: a.) Kartica ispravnog motora ukoliko je mjerenje kompresije izvedeno na pravilan način. Pritisak sabijanja je dovoljno visok i na kraju sabijanja se postižu približno isti pritisci. b.) Dva susjedna cilindra imaju malu kompresiju, moguće je da je oticanje gasova posljedica oštećenja zaptivača glave u zoni između ta dva cilindra. Ovakvo oštečenje nastaje kao posljedica detonantnog sagorjevanja. _____________________________________________________________________________ 22
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
c.) Na cilindru br. 3 kompresija je manja od 3 bara koliko je potrebno da se pokrene kazaljka. Mogući uzroci: izgorio izduvni ventil, oštećenje klipa, istrošenost cilindra ili su karike loše. d.) Dva cilindra ostala bez kompresije. Uzrok, progaranje dihtunga između cilindara 2 i 3 pošto isti rade u paru i dok je jedan u kompresiji drugi je u taktu ispuha i obrnuto. Kroz oštećeni dihtung dolazi do protoka plinova između cilindara i izbacivanja u izduvni kanal preko susjednog cilindra. e.) Ako jedan ili više cilindara pokazuju nisku kompresiju, na tim cilindrima je potrebno provjeriti da li ventili zaptivaju potpuno. U tu svrhu u svaki cilindar treba ubrizgati malu količinu ulja, dovoljnu da obezbjedi privremeno zaptivanje po obimu klipa I ponoviti test. Ukoliko nema poboljšanja rezultata, mala kompresija je vjerovatno posljedica propuštanja ventila ili možda zaptivača glave. U suprotnom, ako dođe do porasta pritiska, znači da je prolaz gasovima omogućen pored klipnih prstenova pa je onda iste potrebno zamjeniti sa prethodnom provjerom istrošenosti cilindra. Uzrok niže vrijednosti kompresije na samo jednom cilindru može biti I potrošen brijeg bregaste osovine.
REZIME Osnovni zadatak procesa sabijanja (kompresije) radne smjese je da se stvore što bolji uslovi za njeno sagorjevanje. Parameter za ocjenu procesa sabijanja je pritisak radne smjese u cilindru na kraju procesa sabijanja. Što je veći pritisak na kraju takta sabijanja, pre paljenja radne smjese, to je efikasnost (snaga) motora veća, odnosno iskorištenje energije goriva je bolje. Takođe, nejednak pritisak sabijanja u cilindrima motora uzrokuje nemiran rad motora u cijelom opsegu broja obrtaja. Veličina pritiska sabijanja zavisi od: stepena sabijanja, karakteristike goriva, zaptivenosti komore za sagorjevanje, broja obrtaja motora, količine usisanog vazduha. Intervencije prema navedenim parametrima doprinose poboljšanju kompresije. Osim navedenih parametara na veličinu pritiska sabijanja tokom eksploatacije najveći uticaj ima stanje dijelova koji čine komoru za sagorjevanje: klip, karike, cilindar, usisni i izduvni ventili, blok motora, glava motora, dihtunzi itd. Svrha nadpunjenja je povećanje punjenja svježim zrakom kod motora iznad onog za usisne motore, a time i povećanje snage. Nadopunjenje se definiše kao predsabijanje dijela ili čitavog punjenja izvan cilindra motora. Na taj način punjenje motora se komprimuje izvan i unutar cilindra. Mjerenje kompresije se obično radi kada se primjeti da je motoru opala snaga, a intervencija na sistemu za napajanje ili palenje radne smjese nisu uspjele da to koriguju. Niska, visoka ili neujednačena vrijednost kompresije ukazuje na ozbiljne kvarove motora. Visoka kompresija, veća od preporučene ukazuje da u cilindrima ima mnogo naslage gareži. _____________________________________________________________________________ 23
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
POPIS SLIKA: Slika 1.1. Osnovni elementi radnog prostora motora sus [1] Slika 1.2. Radni ciklus četverotaktnog motora [2] Slika 1.3. Radni proces dvotaktnog motora [2] Slika 1.4. Idealni procesi motora sa unutrašnjim sagorjevanjem [1] Slika 1.5. Stvarni indikatorski dijagrami četverotaktnog motora [1] Slika 1.6. Uopšteni dijagram idealnog ciklusa motora [1] Slika 2.1. Kompresija (sabijanje) [2] Slika 2.2. Zavisnost kod idealnog ciklusa od stepena sabijanja [1] Slika 2.3. Gubitak pritiska u komori za sagorjevanje [3] Slika 2.4. Mjerenje relativne kompresije [3] Slika 2.5. Instrument za mjerenje kompresije komprimiranim zrakom [3] Slika 2.6. Aparatura za mjerenje kompresije motometrom [] Slika 2.7. Rezultati mjerenja kompresije motometrom [3]
POPIS TABELA: Tabela 1. Sadržaj sumpora u gorivu sa obavezujućom primjenom [2]
_____________________________________________________________________________ 24
_____________________________ Seminarski rad –Kompresija na pogonskom elementu vozila
LITERATURA: [1] I. Filipović: “Cestovna vozila” , Mašinski fakultet Sarajevo, 2012. godina, [2] I. Mihalec: “Motori sa unutarnjim izgaranjem” , FSB Zagreb, 2010. godina, [3] V. Bubić: “Mjerenje kompresije na motorima cestovnih motornih vozila” Fakultet strojarstva i brodogradnje Split, 2010. godina, [4] Ž. Dobovišek: “Razvoj motora sui i kvalitet goriva” , Stručni rad, 2012. godina, [5] S. Stojković : “ Motori sa unutrašnjim sagorjevanjem” Tehnička knjiga Beograd ,1986. godina
_____________________________________________________________________________ 25