1.0
1.1
MOTORI SA UNUTRAŠNJIM SAGOREVANJEM UOPŠTENO O MOTORIMA SA UNUTRAŠNJIM SAGOREVANJEM
Motori sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS) u mnogim oblastima privrede su glavni izvori pogonske energije. Brzom razvoju drumskog i vazdušnog saobraćaja u velikoj meri doprineli su motori sa unutrašnjim sagorevanjem koji su ekonomični i u pogonu sigurni. Saobraćaj na vodi vrlo često koristi motore SUS. U šinskom saobraćaju, za pogon šinobusa, motornih vozova, pa i lokomotiva, sve više se koriste SUS motori. Ovi motori nalaze primenu u savremenoj poljoprivredi, kao i u graĎevinarstvu. Motori sa unutrašnjim sagorevanjem uspeli su da naĎu primenu u različitim oblastima zahvaljujući njihovim prednostima u odnosu na druge motore, a to su uglavnom: ekonomičnost, mala teţina, primena visokokaloričnih goriva čija je distribucija relativno laka. Razvitak motora sa unutrašnjim sagorevanjem doprineo je brzom razvoju, kako industrije prerade nafte, tako i tehnologije materijala i tehnike obrade. Motorna industrija sa svojim industrijskim korisnicima, naročito automobilskom, predstavljaju vrhunske industrije. Problematika proučavanja SUS motora bazirana je na mnogim osnovnim disciplinama, kao što su: fizika, hemija, matematika, termodinamika, mehanika fluida. Konstruisanje i proračun motora zahtevaju solidno poznavanje osnova konstruisanja, otpornosti materijala, mašinske obrade, mašinskih elemenata, ... Mašine koje preobraţavaju bilo koji vid energije u mehaničku eneriju nazivaju se motorima. Zavisno od vida polazne energije motori se dele na toplotne, električne, vodene. Motori SUS su toplotni motori. Kod njih se toplotna energija dobijena sagorevanjem goriva preobraţava delimično u mehaničku energiju. Pored motora SUS razlikujemo još jednu vrstu toplotnih motora - motori sa spoljnim sagorevanjem (SSS). Kod motora SUS proces sagorevanja obavlja se u samom motoru. Toplota osloboĎena tokom sagorevanja predaje se produktima sagorevanja čime se povećava njihov energetski potencijal izraţen pritiskom i temperaturom. Širenjem gasova u samom organskom sklopu motora, preobraţava se jedan deo sadrţine toplotne energije u mehanički rad. Transformacija potencijalne energije rada u mehaničku kod klipnih motora sa unutrašnjim sagorevanjem vrši se na sledeći način: 7
Ponavljanjem niza uzastopnih relativno laganih širenja odreĎenih količina radnog medijuma u specijalnom radnom prostoru, koji je sposoban da menja zapreminu u odreĎenim granicama. Širenjem gasa u ovim odeĎenim volumenskim granicama vrši se savlaĎivanjem spoljnjeg otpora, pri čemu se odgovarajući deo potencijalne energije transformiše u mehanički rad. Pri ovakvom laganom pirenju, porast kinetičke energije gasne struje na račun potencijalne energije moţe se zanemariti kao neznatan[12]. Kako bi smo definisali povoljne i nepovoljne osobine motora SUS uporedićemo ih sa motorima SSS. Uglavnom se vrši uporeĎivanje klipnog motora SUS i klipne parne mašine. Prednosti motora SUS su: - velika ekonomičnost, - mala specifična masa, odnosno velika specifična snaga, - kompaktnost graĎe, - brzo su spremni za rad po startovanju, - koriste gorivo velike energetske sabijenosti, - troše gorivo samo dok rade. Veća ekonomičnost motora SUS posledica je činjenice da se celokupna energetska transformacija vrši u jednom jedinstvenom prostoru - cilindru motora, usled čega su toplotni gubici znatno manji nego kod motora SSS. Kod motora SUS toplota razvijena sagorevanjem predaje se direktno radnom medijumu, pa je moguće raditi sa veoma visokim maksimalnim temperaturama ciklusa, bez opasnosti da se time ugroze elementi motora. Visoke maksimalne temperature ciklusa omogućavaju veći toplotni pad i veću ekonomičnost ciklusa. Pod specifičnom masom motora (kg/kW) podrazumeva se odnos mase motora (kg) i njegove nominalne efektivne snage (kW). Spec. snaga motora je obrnuti odnos prethodno navedenih parametara motora (kW/kg). Kod automobilskih dizel - motora spec. masa motora iznosi 12 - 5 kg/kW, a kod oto motora 6,5 - 2,5 kg/kW dok se kod avionskih klipnih motora ove vrednosti kreću i do 0,65 kg/kW. Svojstvo motora SUS da se brzo i lako mogu staviti u pogon, potkrepljuje se činjenicom da se manji motori za 2 - 3 minuta po startovanju mogu opteretiti punom snagom. Korišćenje visokokaloričnih goriva i postizanje visokih stepena iskorišćenja tih goriva omogućava veći radijus akcije rada mašine bez popune rezervoara, što je od značaja za sve vrste vozila. Dobra osobina motora SUS je što troše gorivo samo dok rade, što doprinosi ukupnoj ekonomičnosti pogonskog postrojenja. Nedostaci motora SUS su: - zavisnost od kvaliteta goriva, - nesamostalan početak rada, 8
- ne moţe se mnogo preopteretiti, - komplikovanost graĎe, - zahteva veću stručnost osoblja koje njima rukuje, - nepovoljne ekološke karakteristike (toksičnost i buka). Sigurnost u pogledu mehaničkih i termičkih opterećenja zahteva da motor radi uvek sa onom vrstom goriva za koju je konstruisan. Motor SUS se ne moţe pokrenuti sam od sebe, već mora koristiti neki strani pokretač sve dok ne otpočne odvijanje radnog ciklusa motora. Najčešće se za startovanje motora koristi elektrostarter. Motor SUS ne sme se mnogo preopterećivati, jer bi to moglo dovesti do termičkog preopterećenja vitalnih delova i opasnosti opterećenja motora. Motori SUS su sloţene i delikatne konstrukcije, što proističe iz činjenice da se kod njih celokupna energetska transformacija odvija u okviru samog motora. Komplikovanosti motora naročito doprinose mnogobrojni pomoćni ureĎaji koji su uz to vrlo precizni i delikatne konstrukcije. Rukovanje ovako sloţenom mašinom moţe se poveriti samo dovoljno stručnom osoblju, koje mora poznavati sve osobine motora, kao i preporuke za njegovo uprvljanje i odrţavanje. Nedostatak motora SUS je narušavanje normalnog čovekovog ambijenta u prenaseljenim oblastima sa jako razvijenom mehanizacijom. Pri tome se naročito naglašava sadrţaj štetnih komponenti u izduvnim gasovima, kao i buka koju motor stvara, pri radu, a predstavlja smetnju za okolinu.
1.2 PODELA SUS MOTORA Zavisno od njihovog konstruktivnog rešenja, motori sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS motori ) se mogu podeliti na odreĎene grupe i podgrupe. Prema principu rada mogu se podeliti na: - dizel-motore, - oto-motore Prema načinu realizovanja radnog ciklusa, motore moţemo podeliti na: - dvotaktne i - četvorotaktne. Prema pogonskom gorivu koje koriste, podela se moţe izvršiti na: - motore koji koriste kao pogonsko gorivo benzin, - motore koji koriste kao pogonsko gorivo, gorivo za dizel-motore, - motore koji koriste kao pogonsko gorivo mešavinu benzina i ulja, - motore koji koriste kao pogonsko gorivo mešavinu butana i propana (tečni gas), itd. 9
Prema broju cilindara podela se moţe izvršiti na: - jednocilindrične, - dvocilindrične, - višecilindrične motore. Prema rasporedu cilindara na: - motore sa vertikalno postavljenim cilindrima (linijski motori), - motore sa koso postavljenim cilindrima, - motore sa horizontalno postavljenim cilindrima. Prema vrsti paljenja radne smeše na: - motore sa baterijskim paljenjem, - motore sa elektronskim paljenjem, - motore sa magnetnim paljenjem, - motore kod kojih se vrši samozapaljenje. Prema načinu hlaĎenja na: - motore koji se hlade sa tečnošću i - motore koji se hlade vazduhom. Podela prema zapremini motora: - kategorija do 1000 ccm, lakši putnički automobil, - kategorija do 1500 ccm, srednji putnički automobil, - kategorija do 3000 ccm, veći putnički automobil, lakša teretna vozila, - kategorija preko 3000 ccm, ostala motorna vozila Motori sa unutrašnjim sagorevanjem mogu se meĎusobno uporeĎivati na osnovu uporednih karakteristika, kao što su: - efektivna snaga (kW), - obrtni moment motora (Nm), - srednje efektivni pritisak (bar) - stepen kompresije, - specifična teţina, - specifična potrošnja goriva, itd.
1.3
OPIS FUNKCIONISANJA KLIPNOG MOTORA SUS
Kod svih klipnih motora SUS radni ciklus obavlja se u cilindru motora sukcesivnim, periodičnim širenjem odreĎenih količina radne materije izmeĎu dvaju krajnjih poloţaja klipa: spoljnje (gornje) i unutrašnje (donje) mrtve tačke. Radni prostor formiran je od cilindra 4, koji je sa jedne strane zatvoren cilindarskom glavom 5, a sa druge strane pomerljivim klipom 1. Potiskivanjem klipa gasovi savladavaju spoljni otpor i vrše mehanički rad, posredstvom klipnjače 2, koja je zglobno vezana sa klipom i kolenastim vratilom 3,
10
pravolinijsko oscilatorno kretanje klipa preobraţava se u obrtno kretanje kolenastog vratila(slika 1.1). 9
8
5
4 1 SMT
2
7
3
6
UMT
i D
A
B
Sd Vmin Vc
Vh(S)
u
Vmax = Vc +Vh
Slika 1.1 Skica glavnog motornog mehanizma klipnog motora sa pravolinijskim oscilatornim kretanjem klipa Klip, klipnjača i kolenasto vratilo čine glavni motorni mehanizam. Zadatak ovog mehanizma je pretvaranje pavolinijskog kretanja klipa u obrtno kretanje kolenastog vratila. Tako se mehanički rad koji gasovi vrše potiskujući klip, predaje korisniku preko kolenastog vratila u vidu obratnog momenta. Razlikujemo dva karakteristična poloţaja klipa, to su poloţaji u kojima se vrši promena smera kretanja klipa. U tim tačkama brzina klipa je jednaka nuli, tako da te krajnje poloţaje nazivamo mrtvim tačkama. Krajnji unutrašnji poloţaj klipa, kada je on najbliţi osi kolenastog vratila naziva se unutrašnja (donja) mrtva tačka (UMT). Kada je klip u toj tački zapremina iznad istog je maksimalna (Vmax) i to je ukupna zapremina cilindra. Krajnji spoljni poloţaj, kada je klip najudaljeniji od ose kolenastog vratila odgovara spoljnoj (gornjoj) mrtvoj tački (SMT). U tom poloţaju zapremine iznad klipa je minimalna (Vmin). Put koji klip proĎe od jedne mrtve tačke do druge pretstavlja hod klipa (S). Taktičnost motora označava broj hodova klipa potrebnih za izvršenje jednog radnog ciklusa u cilindru motora. Na slici se moţe zapaziti da jednom hodu klipa odgovara jedan poluobrt kolenastog vratila, odnosno svakom obrtu kolenastog vratila odgovaraju dva hoda klipa[39]. Pri hodu klipa prečnika D, osnova klipa opisuje radnu (hodnu) zapreminu cilindra (Vh): Vh
D
2
4
S
Zapremina prostora iznad klipa, kada se naĎe u spoljnoj mrtvoj tački tj. zapremina izmeĎu klipa i cilindarske glave (ovaj prostor je često ograničen veoma 11
nepravilnim površinama) naziva se kompresiona zapremina (Vc). U ovom prostoru se odvija i veći deo procesa sagorevanjem, te se naziva i prostor sagorevanja. Pri radu klipnog motora zapremina prostora iznad klipa se menja izmeĎu dveju ekstremnih vrednosti, koje definišu tzv. stepen kompresije ().
V max V min
Vh Vc Vc
Stepen kompresije ili stepen sabijanja pokazuje u kom je odnosu izvršeno sabijanje sveţe radne materije, odnosno definiše veličinu kompresione zapremine, tj. zapremine prostora, sagrevanja. Na slici 1.2 dat je uzgled SUS motora.
Slika 1.2 Izgled četvorocilindričnog motora SUS
1.4
KONSTRUKCIJA SUS MOTORA
Motor pretvara toplotu koja se dobija sagorevanjem goriva u mehaničku energiju za pogon točkova. Gorivo, koje je smeša benzina i vazduha sagoreva u potpuno zatvorenim cilindrima u unutrašnjosti motora. Na slici 1.3 prikazana je konstrukcija OTO motora. Motor je sastavljen iz dva osnovna sklopa: gornji je glava motora (cilindarska glava), a donji je blok (cilindarski blok), s leţištem leţajeva radilice.
12
1-provodnik od razvodnika ka svećici 2-klackalica otvara ventil 3-opruga zatvara ventil 4-utikač svećice 5-izduvni kolektor 6-komora za sagorevanje 7-štapić za kontrolu nivoa ulja 8-elektropokretač 9-zamajac 10-sito pumpe za ulje 11-prečistač ulja 12-kućište pumpe za ulje 13-bregasta osovina 14-podizač 15-šipka podizača 16-razvodnik paljenja 17-usisni razvodnik 18-karburator
Slika 1.3 Poprečni presek četvorocilindričnog SUS motora 1.4.1 NEPOKRETNI DELOVI MOTORA Cilindarski blok (kućište ili karter motora) nosi celu konstrukciju motora: ako je motor višecilindrični, svi cilindri se nalaze u zajedničkom komadu. Izraz cilindarski motor koristi se kod automobilskih i industrijskih motora, a kućište kod stacionarnih motora (slika 1.4).
13
Odlivak cilindarskog bloka je jedan delikatan deo na motoru, a pored drugih osobina ne sme biti porozan, ne sme imati velike deformacije kada se glava na njega priteţe vijcima ili za vreme rada motora. Cilindarski blok je skup deo na motoru iz razloga što je njegovo livenje dosta sloţeno i zahteva posebnu veštinu. Uglavnom i danas se cilindarski blokovi liju od gvoţĎa i to većinom u kalupima od peska. S obzirom da je izrada takvog kalupa komplikovana i traje dugo, postojala je teţnja da se livenje cilindarskog bloka uprosti tako da je pojeftinila cena samo bloka. Tako je fabrika Daehler Jarvis u SAD-u počela masivno da lije cilinarski blok za šestocilindrične benzinske motore za putnička vozila firme American Motors, i to pomoću metode livenja pod pritiskom koja se kod nas često zove "špric gus". Ova mašina za livenje je ogromnih razmera i teţina. Blok se lije u metalnim kalupima. Umesto od gvoţĎa, blok se lije od legura aluminijuma, a cilindri od posebnog gvoţĎa. Na ovaj način u poreĎenju sa sličnim blokovima livenim od gvoţĎa, smanjuje se masa bloka. Dobre fizičke osobine aluminijuma u pogledu teţine i provodnosti toplote iskorišćene su ovim načinom livenja i paţljivom konstrukcijom odlivka i fotoanalizom opterećenja bloka na pojedinim mestima u bloku. Cilindri od centrifugalno livenog gvoţĎa imaju tako konstruisane površine da se veoma fino spajaju sa legurom aluminijuma bloka u momentu kada se na mašini za livenje u kalup za livenje ubrizga masa legure aluminijuma pod pritiskom. 1- Čeona strana bloka 2- Šupljune za protok rashladne tečnosti 3- Otvori za prihvatanje vijka za vezu 4- Cilindarske košuljice 5- Naleţuće površine cilindarske glave 6- Bočna strana 7- Oslona površina poklopca korita motora 8- Nosač glavnih leţajeva 9- Leţaj kolenastog vratila
Slika 1.4 - Cilindarski blok Ovom metodom livenja dobija se cilindarski blok koji je znatno lakši od sličnog bloka od livenog gvoţĎa i lije se kompletan za vreme od samo tri minuta, 14
pa je i u tome znatno jeftiniji. S druge strane, mašina za livenje pod pritiskom je veoma skupa i njena nabavka se isplati samo ako bi se godišnje izlio veliki broj blokova, inače je neekonomična. Cilindarski blok nosi ostalo opterećenje, te se u njemu nalaze leţajevi u kome se okreće radilica motora. U njemu se nalaze cilindri u kojima se za vreme rada motora razvijaju veliki pritisci. U cilindru koji se nalazi u bloku kreće se klip i na kraju na blok se montira cilindarska glava u kojoj se nalazi i komora za sagorevanje gasne smeše. Pri radu ovih navedenih delova razvijaju se razne sile i opterećenja i sve se to prenosi na cilindarski blok. Zato cilindarski blok treba da je dovoljno otporan da bi mogao sve to da izdrţi, dok sa druge strane kod motora za motorna vozila traţi se da bude što lakši i manje opterećuje vozilo. Gornja strana bloka mora biti obraĎena i potpuno ravna, jer se na nju montira zaptivka i cilindarska glava[39]. Karter (korito motora). Na svojoj donjoj strani oto ili dizel - motor se završava karterom motora. Ovaj deo se lije od lakših legura ili se pak presuje od čeličnog lima. U stvari ovo je posuda u kojoj se nalazi celokupno ulje koje sluţi za podmazivanje motora za vreme njegovog rada, jer bez podmazivanja - zbog velikih trenja svih delova, koji se u motoru bilo kreću, bilo pak okreću, motor ne bi mogao ni da radi. Pumpa za ulje koja se nalazi na motoru usisava ulje za podmazivanje iz kartera (korita motora) i šalje ga preko raznih vodova na sva ona mesta koja se podmazuju. Pošto se delovi koji se podmazuju za vreme rada zagrevaju i ulje koje ih podmazuje se zagreva tako da se u karter vraća toplo. Ovo zagrejano ulje se u karteru rashlaĎuje i zatim ga pumpa ponovo šalje na podmazivanje raznih delova. Kod ovakvog kruţenja ulje za podmazivanje pri povratku u karter donosi razne nečistoće koje potiču bilo od delimičnog sagorevanja ulja pri podmazivanju klipova, bilo pak od metalne prašine koja nastaje habanjem raznih delova koje ulje podmazuje. Sva ova prljavština taloţi se na dno kartera. Konstrukcija kartera i priključaka za usisavanje ulja iz istog je takva da ono usisava samo sa površine,(čisto ulje), dok prljavština ostaje uvek na dnu. Kada se ulje posle duţe upotrebe i suviše zaprlja, ono se posebnim čepom, koji se nalazi na dnu kartera ispušta iz istog i sipa sveţe ulje za podmazivanje. Glava cilindra. Svaki cilindar završava se glavom cilindra ili ako su svi cilindri izliveni u jednom bloku onda zajedničkom glavom bloka cilindra. Postoji veliki broj raznih konstrukcija glave cilindra; i to sve da se dobije što bolje sagorevanje gasne smeše i prema tome bolje iskorišćavanje goriva. Dobrim konstrukcijama komore za sagorevanje kod oto - motora znatno se smanjuje pojava detonacije i mogu se upotrebiti veći stepeni kompresije. Glava cilindra je izlivena od livenog gvoţĎa sa kanalima kuda prolazi voda za hlaĎenje, svećica, ventili (slika 1.5). Pošto je odvod toplote iz komore za sagorevanje veoma vaţan, cilindarske glave se izraĎuju od legura aluminijuma koji su dobri provodnici toplote. Da bi odvod toplote bio još bolji usaĎuju se i mase bakra u zidove komore 15
za sagorevanje koje su jednom stranom u komori, a drugom u dodiru sa vodom za hlaĎenje. U glavama od legure aluminijuma nalaze se umeci za uvrtanje svećica i voĎice ventila od livenog gvoţĎa, jer bi se inače samo legure brzo ishabale poštu su mekše.
1. Bregasto vratilo 2. Glava motora 3. Zaptivač 4. Blok motora
Slika 1.5 Cilindarska glava IzmeĎu cilindarske glave i cilindarskog bloka nalazi se zaptivka posle čega se cilindarska glava priteţe izmeĎu vijaka. Radi se od tankog bakarnog lima i to tako što se izmeĎu dva sloja lima nalazi azbest jer zaptivka radi stalno pod visokom temperaturom i njene ivice dodiruju komoru za sagorevanje. Zato zaptivka mora da bude: elastična, tj. da se dobro ugiba, otporna prema visokoj temperaturi, dovoljno otporna na visok pritisak, jer se preko nje glava vijcima priteţe na blok. Cilindar. U cilindarskom bloku nalaze se cilindri u kojima se klipovi kreću gore - dole. Ovi cilindri su ili izliveni zajedno sa cilindarskim blokom, a zatim mašinski i termički obraĎeni, ili se pak cilindri posebno liju od naročitog gvoţĎa, mašinski i termički obraĎuju, a zatim montiraju na svoja odgovarajuća mesta na kućicama i tada se nazivaju košuljicama cilindra. Ako je košuljica takva da se uvlači u tačno izraĎene cilindre u kućište i pri tom ne dodiruje svojim spoljnim površinama vodu za hlaĎenje, onda su to košuljice suvog tipa, a ako se montiraju da samo neke površine dodiruju kućište (montaţne površine), dok su ostale sa spoljne strane u dodiru sa vodom za hlaĎenje, onda se one zovu mokrog tipa.
16
1.4.2 POKRETNI DELOVI MOTORA Do sada su opisani nepokretni delovi motora dok u pokretne delove spadaju:klipna grupa, kolenasto vratilo (radilica), zamajac i ventilski sklop. Klipna grupa.Grupu sačinjavaju klip, klipnjača i klipni prstenovi (slika 1.6). Pod dejstvom pritiska sagorevanja goriva dolazi do kretanja klipa u cilindru motora. Rad koji se ovim putem dobija prenosi se na radilicu preko klipnjače koja spaja klip i radilicu.
1-kolenasto vratilo, 2-protivteg, 3-osigurač, 4,13,17-vijak, 5-leţajevi kolenastog vratila, 6-gornji aksijalni leţaj, 7-donji eksijalni leţaj, 8-klin, 9-ostojnik, 10-zupčanik, 11odbacivač ulja, 12-remenica, 14-podloška, 15-leţajevi klipnjače, 16-klipnjača, 18navrtka, 19-čaura, 20-klip, 21-uskočnik, 22-klipni prstenovi, 23-klipni sklop
Slika 1.6 Prikaz sklopa klipne grupe i kolenastog vratila
17
Klip je montiran na klipnjaču, na njenom gornjem kraju, pomoću osovinice klipa(slika 1.7). Pored toga na klipu su smešteni kompresioni i uljni prstenovi koji zaptivaju klip u cilindru za vreme njegovog kretanja i regulištu podmazivanje klipa da bi se on mogao i kretati. Klip je deo koji je najviše opterećen toplotno i mehanički sa naglim promenama mehaničkih udara i temperature i zato je njegova konstrukcija i izrada veoma sloţena i zavisi od mnogo činilaca. Gorivo koje sagoreva u komori za sagorevanje deluje svojim pritiskom na klip usled čega se on kreće po cilndru i preko kipnjače okreće radilicu. Pošto pritisak eksplozije gasne smeše kod oto motora dostiţe od 23,5 - 39,2 bara, a temperatura sagorevanja u momentu eksplozije oko 2000°C, onda postaje jasno da je klip kako u mehaničkom tako i u termičkom pogledu veoma opterećen. Gornji deo klipa tj. onaj koji je u dodiru sa plamenom dostiţe temperaturu od 300 do 500°C, što zavisi od kakvog je materijala izraĎen, dok donji ima temperaturu od 150 do 250 °C. Istovremeno temperatura cilindra po kome se klip kreće, kod vodeno hlaĎenih motora nije veća od 90 do 100 °C, jer na toj temperaturi voda koja hladi cilindar skoro je na tački ključanja. 1-čelo klipa, 2-otvor osovinice klipa, 3-sklop velike pesnice, 4-klipnjača, 5-vodeći deo klipa (suknjica), 6-klipni prstenovi
Slika 1.7 Klip i klipnjača Pored ovoga, u takvim uslovima klip pomoću klipnih karika (prstenova) mora dobro da zaptiva svoj dodir sa cilindrom da ne bi gasovi koji sagorevaju prodrli ispod klipa u karter jer bi time motor gubio snagu i sagorevalo ulje u karteru. Zbog svega prethodno navedenog, klip treba da ima sledeća svojstva[39]: - da bude otporan prema pritiscima; - da bude dobar provodnik toplote, jer se samo brzim odvoĎenjem toplote na zidove cilindra, klip moţe odrţavati u granicama one temperature pod kojom on moţe da radi. Suviše topao klip dovodi do zapečenih karika, jer je najveća dozvoljena temperatu u ţlebovima karika 260 °C. Preko ove temperature ulje se zapeče usled čega klipne karike ne zaptivaju; - da lako klizi po cilindru, kako na hladnom tako i na toplom; - da bude što je moguće lakši, pošto se klip kreće po cilindru sa naizmeničnim promenama smera kretanja i brzina, dolazi do znatnih 18
sila inercije. Sila inercije zavisi od mase klipa. Ove sile mogu da budu velike i prenose se na klipnu osnovicu i preko klipnjače i radilice na glavne leţajeve i opterećuje ih, - da osigurava dobro podmazivanje zidova cilindra na kome se delimično oslanja sam, a delimično preko klipnih karika. Bez ovog podmazivanja klip bi se pri radu brzo zapekao u cilindru (onda se kaţe da je klip zaribao). Ranije su se klipovi radili od livenog gvoţĎa, ali se zbog velike brzine obrtaja radilice motora i velike količine toplote koju treba sa klipa preneti ili na cilindar ili ulje za podmazivanje, sve više rade klipovi od legure aluminijuma koji su bolji provodnici toplote i brţe se hlade, a pored toga su lakše i prema tome manje opterećuju leţaje. Klip se lije od legure aluminijuma koji ima oko 24 % silicijuma. Time se dobija klip koji je lak, a pod dejstvom toplote se isteţe skoro isto kao gvoţĎe. Klipni prstenovi. Prečnici klipa i cilindra nisu isti, nego izmeĎu njih postoji mali zaozr. Da bi se sprečilo prodiranje gasova iz komore za sagorevanje u prostor ispod klipa i to kroz ovaj zazor u glavi klipa nalaze se ţlebovi u koje se montiraju klipne karike ili prstenovi. Ovi klipni prstenovi, kada nisu montirani na klip imaju nešto veći prečnik od prečnika cilindra i prorezani su na jednom mestu. Kada se smeštaju na klip, a zatim sam klip na cilindar, prstenovi se zato što su elastični oslanjaju potpuno na zidove cilindra i na taj način zaptivaju potpuno klip u cilindru, sprečavajući prolaz gasova koji sagorevaju i šire se kroz zazore izmeĎu klipa i cilindra, a isto tako sprečavaju prolaz ulja, odozdo u kompresioni prostor. U glavi klipa postoje 2 - 3 takva prstena koja se zbog svoje uloge, odrţavanja kompresije motora, zovu kompresioni klipni prstenovi. Ispod ovih kompresionih prstenova, i to ili iznad osnovice klipa ili ispod nje nalaze se još jedan ili dva prstena za ulje koji regulišu pravilno podmazivanje klipa i klipnih prstenova i zato se zovu klipni prstenovi za ulje. Klipni prstenovi moraju da imaju sledeće osobine: - da budu elastični i da na taj način za vreme rada motora stalno pritiskaju na cilindar i vrše zaptivanje klipa; - da svojom odreĎenom tvrdoćom i strukturom materijala odolevaju suviše brzom habanju, ali da sa druge strane sami ne habaju cilindar i ţlebove u klipu. Pred toga suviše tvrdi klipni prstenovi lako se lome i mogu izazvati oštećenja cilindra; - da su dobri provodnici toplote, jer se toplota iz klipa preko njih odvodi na zidove cilindra i vodu za hlaĎenje; - da dobro odolevaju toploti, naročito gornji kompresioni klipni prsten radi pod temperaturom do 260 °C. Prstenovi se liju od livenog gvoţĎa grafitnog sastava protkano perlitom. Na ovaj način se postiţe da su klipni prstenovi relativno meki, da ne bi habali 19
cilindar motora, ali i istovremeno i dovoljno otporni na habanje da se ne bi isuviše istrošili. Prstenovi se liju, a onda obraĎuju se galvanskim putem, čime se na njihove spoljne površine nanosi jedan sloj koji štiti od korozije, jer se za vreme sagorevanja i podmazivanja ţlebova i cilindra stvaraju razne kiseline koje teţe da nagrizaju klipne prstenove. Radi boljeg sprovoĎenja toplote od klipa na zidove cilindra često se prvi kompresioni klipni prsten i hromira. U poslednje vreme upotrebljava se i metoda sinterovanje prašine za izradu klipnih prstenova. OdreĎena metalna površina izmeša se naročitim lepilom u prahu i to se sve presuje u metalne kalupe, a zatim peče na visokoj temperaturi. Osovinica klipa. Klipnjača motora vezana je s klipom preko osovinice klipa. To je deo preko koga se rad klipa usled eksplozije i sagorevanja gasne smeše prenosi na radilicu preko klipnjače. Za vreme rada motora ona trpi velike udare i zbog toga je veoma opterećeni deo. Ona radi kako na savijanje, tako na trenje, jer se okreće u gornjem leţaju klipnjače, ili se pak klipnjača okreće oko nje. Zbog toga osovinica klipa mora biti otporna i na savijanje i na trenje. To se postiţe njenom izradom od legura čelika velike otpornosti na savijanje. Pored toga, njena spoljna površina se cementira, tj. na njenoj spoljnoj površini se termičkom obradom stvori vrlo tanak tvrd sloj, usled čega je ona veoma otporna na trenje, što je neophodno za dug vek osovinice klipa. Klipnjača. Spaja klip i radilicu motora; kretanje klipa prenosi na radilicu. Za vreme rada motora ona u prvom hodu (usisavanje) radi na istezanje, dok u ostala tri hoda motora (sabijanje, ekspanzija i izduvavanje) radi na pritisak. Po prirodi svog rada ona radi i na ugibanje. Pošto ima svoju teţinu, a za vreme rada ima veliku brzinu, ona proizvodi velike sile inercije što je nepoţeljno, jer i ove sile opterećuju leţaje radilice i same klipnjače. Zbog ovoga se teţi da po svojoj konstrukciji klipnjača bude što lakša i da pri tom opet bude dovoljno otporna. Gornji deo, tj. onaj koji se vezuje za osovinicu klipa zove se pesnica klipnjače (mala pesnica) dok se donji deo, tj. onaj koji se vezuje za radilicu motora zove glava klipnjače (velika pesnica). Pošto se gornji deo okreće oko osovinice klipa koja je tvrda, jer je cementirana, to je u okruglo leţište nabijena čaura od tvrde bronze. Prema tome, pesnica klipa se preko ove čaure okreće oko osovinice klipa za vreme rada motora. Pored ovoga gornji deo pesnice klipnjače ima jedan kanal sve do osovinice klipa kroz koji se podmazuje čaura i osovinica klipa. Glava klipnjače sastoji se iz jednog dela koji je sastavni deo tela klipnjače i drugog dela koji se zove poklopac. Za vreme rada motora glava klipnjače kod nekih motora udara u ulje za podmazivanje koje se nalazi u karteru motora, tako da se ovo ulje rasprskava na zidove cilindra i unutrašnju stranu klipa, usled čega se podmazuje cilindar i osovinica klipa. Pošto je glava klipnjače stalno oblivena uljem, to ulje prodire kroz glavu i podmazuje radilicu koja se nalazi u leţaju glave klipnjače. Ovaj leţaj se sastoji od čaure od bronze ili čelika (iz dva dela) koja je prevučena tankim slojem belog metala, kod oto - motora. Beli metal ima vrlo mali 20
koeficijent trenja zbog čega se i zove antifrikcioni metal. Zbog toga za vreme rada motora usled trenja troši se u stvari ovaj beli metal, a ne radilica koja je tvrda jer je kaljena i cementirana u ovom delu koji se nalazi u leţaju klipnjače. Pored ovoga beli metal ima i tu osobinu da se topi na veoma maloj temperaturi (ispod 400 °C). Ako nastanu neke smetnje u pravilnom podmazivanju motora leţaj klipnjače se pregreva zbog čega beli metal omekša, usled čega dolazi do zazora izmeĎu leţaja klipnjače i radilice, pa klipnjača počne da lupa u motoru. To je znak da je leţaj klipnjače oštećen i odmah treba prestati sa radom motora. Kako klipnjača ima veliko opterećenje za vreme rada motora, ista se kuje od posebnih visokootpornih čelika, toplotno obraĎuje, a zatim i mehanički. Kolenasto vratilo (radilica). Preko klipa i klipnjače energija ili rad gasne smeše koja sagoreva u cilindru prenosi se na radilicu (slika 1.8). Ovaj rad ispoljava se u vidu obrtanja radilice u svojim leţajevima koji se nalaze montirani na kućištu motora. Ovo znači, u stvari da se radilica oslanja na kućište motora, i prema tome sve sile koje nastaju sagorevanjem gasne smeše prenose se u krajnjoj liniji na leţajeve radilice, odnosno na kućište motora.
1-produţenje remena radi uravnoteţenja, 2-prednje leţište radilice za montiranje točka klinastog kaiša ili prigušivača oscilacija, 3-osovina radilice,obrće se u glavnom leţaju radilice, 4-rukavac na kome se montira klipnjača, 5-prirubnica (ploča)radilice koja nosi zamajac
Slika 1.8 Kolenasto vratilo-radilica Za vreme radnih taktova klipovi potiskuju leţajeve klipnjače na radilicu prema dole, a za vreme ostala tri takta obrtanje radilice pomera klipove gore i dole, ramena radilice su radi ravnomernog rasporeda radnih udara pod različitim uglovima u odnosu na radilicu.
21
Najvaţniji delovi na radilici su osovine radilice i rukavci. Osovine se okreću u svojim leţajevima, i to su oni delovi radilice koji se oslanjaju na leţajeve montirane na kućištu motora u kojima se obrće radilica. IzmeĎu dva ramena (rame moţe biti pravo ili koso) radilice nalazi se rukavac (leţaj klipnjače) na kome se montira klipnjača motora. Tako se uspostavlja pokretna veza izmeĎu klipova i radilice, radilica je na suprotnoj strani od leţajeva klipnjače, oblikovana u kontrategove, koji treba da obezbedi miran i ravnomeran rad motora. Prenosni zupčanik za razvod, u stvari putem drugih prenosa pokreće bregastu osovinu, koja pak okreće usisne i izduvne ventile. Zamajac, teški čelični točak na jednom kraju radilice svojom inercijom obrće istu preko mrtvih tačaka klipova i praznih, neradnih taktova i tako odrţava ravnomernu brzinu obrtanja. Kontrateg izjednačava centrifugalne sile koje se stvaraju za vreme obrtanja radilice i to naročito na onom delu na kome se za istu pričvršćuje glava klipnjače. Te sile teţe da od radilice otrgnu rukovac iste, a da do toga ne bi došlo one se uravnoteţuju kontrategovima čije centrifugalne sile deluju u suprotnom smeru istih na rukavcima radilice. Radilica je kovani ili liveni deo koji se posle termički obraĎuje. Motori sa četiri cilindra imaju tri leţaja na koje se oslanja radilica. Ležaji. Leţajevi smanjuju trenje na različitim delovima koji se obrću, na primer na osovinama radilice ili točkovima koji se obrću na nepokretnim osovinama. Pored toga leţajevi nose, odnosno podupiru delove koji se obrću. Razlikujemo klizne i kotrljajuće leţajeve. Kod kliznih leţajeva okretljivi deo obrće se u čaurama ili polutkama. IzmeĎu delova koji se obrću i metala leţaja nalazi se tanak sloj (fil) ulja za podmazivanje. Kod kotrljajućih leţaja osovinu nose kuglice, valjčići ili iglice. Svaki klizni leţaj sastoji se iz dve čelične okrugle polovine (podloge) na koje je naliven tanak sloj nekog mekšeg ili tvrĎeg metala leţaja. Izliveni leţaji stavljaju se u svoja odgovarajuća leţišta u klipnjači ili na kućištu motora za radilicu, a zatim predviĎenim sredstvima priteţu. U ovako pritegnutim leţajevima klipnjača i radilica se ne okreću na suvom, nego se izmeĎu njih i metala leţaja nalazi tanak sloj (fil) ulja za podmazivanje. Tako se trenje u stvari prenosi preko ulja i time omogućuje rad klipnjače i radilice, jer bi trenje metala o metal ubrzo dovelo do razvijanja velike količine toplote i topljenja leţaja. Najčešće upotrebljivani metal za nalivanje leţaja bio je beli metal. To je u stvari legura: oko 86 % kalaja, 8 % antimona, 3,5 % bakra i 2,5 % olova ili neka druga slična legura. MeĎutim, danas ova legura upotrebljava se samo za leţajeve koji nisu suviše opterećeni. Prednost belog metala je u tom što je relativno mek, pa se eventualna prašina ili druga strana tela utiskuju u kliznu površinu i ne oštećuju osovine u leţaju. Nedostatak te legure je niska tačka topljenja: kako temperatura raste, gubi se tvrdoća legure. Savremeni motori imaju leţajeve na čiju podlogu je 22
naneto više slojeva različitih legura za leţajeve (obloge). Ti višeslojni leţajevi su veoma tvrdi, dobro odvode toplotu i klizna površina im je izdrţljiva. Jedan dobar leţaj treba da ima osobine[12]: - svojstvo da se ne kruni i da ne strada od ogrebotina; - da dobro izdrţava pritisak; - da dobro izdrţava zamor; - da ima svojstvo plastičnosti, tj. da lako uzima razne oblike usled čega mu se površina sama od sebe podešava prema stanju istrošenosti osovine; - da je otporan prema kiselinama koje nagrizaju metale; - da imaju finu strukturu, tj. da mu je materijal sastavljen od vrlo sitnih zrnaca; - da metal ima veliku toplotnu provodljivost. Pored kliznih leţajeva na motorima se upotrebljavaju razni kuglični ili valjkasti leţaji. Oni imaju najmanje trenje, ali je njihova izrada najskuplja. Upotrebljavaju se najviše u dodatnim ureĎajima u automobilu, na primer u ventilatoru, električnom generatoru, ponekad u razvodnom mehanizmu, s bregastom osovinom u glavi. Zamajac. Kada motor sa unutrašnjim sagorevanjem radi onda je od četiri takta samo takt eksplozije (sagorevanja) radni takt, dok svi ostali taktovi troše jedan deo rada koji se dobija za vreme ovog takta. Ovo znači da bi radilica motora ubrzo posle takta eksplozije prestala da se okreće, jer klip odmah posle tog takta nailazi na velike otpore u svom kretanju. Zato se na motoru i to na kraju radilice motora nalazi deo koji se zove zamajac, a koji omogućava da se radilica motora okreće i za vreme ostala tri takta, kada se dobijeni rad za vreme takta ekspanije u stvari troši. Zamajac je u stvari točak od livenog gvoţĎa ili čelika i konstruisan je tako da mu se glavna masa ili teţina nalazi na obimu točka, što je potrebno da bi imao tzv. najveću ţivu silu (slika 1.9).Ova sila je tim veća što je veća masa zamajca, što brţe obrće i što je udaljeniji od ose radilice. Ţivu silu zamajac dobija svojim obrtanjem za vreme takta ekspanzije, jer je montiran na radilica i obrće se sa njom, a predaje je radilici za vreme ostala tri trakta koja su pasivna i koji ne okreću radilicu. Za vreme tri pasivna takta (usisavanje, sabijanje i izduvavanje) radilica se okreće i prema tome ceo motor radi pomoću ţive sile zamajca koju je ovaj u sebi nagomilao za vreme obrtaja u taktu ekspanzije. Ako je zamajac efikasan tj. ako ima veliku masu, koja je uglavnom skoncentrisana u naplatku (glavna masa zamajca) kaţe se da zamajac ima veliki moment inercije oko svoje ose jer je taj moment u stvari veličina koja se dobija ako se masa zamajca pomnoţi sa kvadratom njene udaljenosti od ose istog. Od veličine zamajca, tj. od njegove inercije zavisi i to da li će motor raditi sa manjim ili većim promenama brzine obrtanja, a to je za rad motora veoma vaţna karakteristika MeĎutim, masa zamajca ograničena je ubrzanjem rada koji se 23
ţeli postići od motora kada počne da radi. Ako je zamajac isuviše velike mase onda je potrebno duţe vreme da motor, odnosno radilica postigne najveću brzinu obrtanja. Tako se dolazi do pojma koeficijenta regularnosti sa kojom zamajac treba da radi. Ovaj koeficijent regularnosti se dobija kada se srednja brzina obrtanja radilice za vreme od četiri takta rada motora podeli sa razlikom izmeĎu najveće i najmanje brzine radilice. Pored ovog veličina zamajca ograničena je i mogućnošću njegovog smeštaja u samoj konstrukciji motora i opasnošću da ne doĎe do loma zbog centrifugalnih sila koje za vreme obrtanja zamajca deluju na njega i teţe da ga rasprsnu (raznesu) u stranu. Ta centrifugalna sila je tim veća što je veća masa zamajca i što mu je veća brzina obrtanja.
1-čivija, 2-ploča za adaptaciju, 3-vijak, 4-podloška, 5-vijak 6- čivija, 7zamajac, 8-zupčasti venac, 9-osigurač, 10-specijalni vijak, 11-leţaj, 12-navrtka Slika 1.9 Zamajac i kućica zamajca Zamajac mora biti dobro pričvršćen na radilici, inače ubrzo dolazi do vibracija i loma samog zamajca.
1.4.3 RAZVODNI SISTEM Izmena radne materije, tj. napajanje motora sveţom radnom materijom i praţnjenje cilindra od produkata sagorevanja, obezbedjeno je radom razvodnog mehanizma. Razvodni mehanizam ima zadatak da svojim elementima omogući proces izmene radne materije.
24
Prema poloţaju ventila i bregastog vratila u motoru izvršena je podela razvodnih mehanizama na sledeće[31]: 1. SV – klasični razvodni mehanizam sa stojećim i bregastim vretilom u bloku motora. Prema konstrukciji ovaj sistemje jednostavan, jer ima manje delova, ali ima nedostatak jer se kompresioni prostor nalazi iznad ventila, pa se ne moţe smanjivati. Ovaj sistem primanjivao se kod starijih konstrukcija motora. 2. OHV – razvodni mehanizam sa visećim ventilima u glavi motora i bregastim vratilom u bloku motora. Ovo rešenje se primenjuje i kod savremenih motora, pri čemu se odlikuje većim stepenom kompresije i novim delovima kao što su klackalice, osovinice i nosači klackalica i šipke podizača. Zbog većeg broja delova za pravilan rad motora je od izuzetne vaţnosti stanje delova i podešavanje zazora na ventilima. 3. OHC – razvodni mehanizam sa visećim ventilima u glavi i bregastim vratilom na glavi motora. Ovaj sistem se primenjuje kod savremenih brzohodnih motora i odlikuje se direktnijim prenosom komande sa bregastog vratila na ventil. To obezbeĎuje brţu i efikasniju izmenu radne materije, tj. povećanje snage i broja obrtaja motora. 4. IOE – kombinovani SV i OHV razvodni mehanizam pri čemu je izduvni ventil SV – sistema razvoda, a usisni ventil OHV – sistema razvoda. Ovakvim poloţajem ventila i oblika prostora za sagorevanje, dobija se na punjenju cilindra sveţom radnom materijom i boljem ispiranju cilindra od produkta sagorevanja. Nove konstrukcije razvodnih mehanizama zasnivaju se na ovim sistemima razvoda. Osnovni elementi razvodnog mehanizma su: razvodna kutija, bregasto vratilo i ventilska grupa. Razvodna kutija. U zavisnosti od poloţaja bregastog vratila u motoru, za prenos obrtaja sa kolenastog na bregasto vratilo, koriste se različiti sistemi prenosa: zupčanici, lanac i lančanici, zupčasti kaiš i kaišnici i td. Ovi sistemi se nalaze u svom kućištu u motoru, a začtićeni su poklopcem razvodne kutije ili se nalaze van motora a zaštićeni su plastičnim poklopcem. Kako se kod četvorotaktnog motora radni ciklus obavi za dva obrta kolenastog vratila, izduvni i usisni ventili se za to vreme otvore samo po jedanput. Zbog toga sistem prenosa mora da obezbedi jedan obrt bregastog vratila za dva obrta kolenastog vratila, tj. prenosni odnos u razvodnoj kutiji mora da je 2:1. Zupčanici kao sistem prenosa nalaze se u kućištu razvodne kutije, koje je najčešće izliveno zajedno sa kućištem motora (slika 1.10) . Poklopac kućišta je za kućište pričvršćen vijcima, a izraĎen je od presovanog čeličnog lima ili od legure lakih metala. Zupčanik je povezan sa kolenastim vratilom pomoću klina, dok je zupčanik povezan sa bregastim vratilom pomoću čivije i zavrtnja 25
Pravilan poloţaj kolenastog i bregastog vratila obezbeĎen je postavljanjem oznaka (repera) u odgovarajući poloţaj, tj. na liniju koja spaja centre jednog i drugog vratila. Ovim se postiţe da je razvodni mehanizam u fazi sa klipnim mehanizmom. Kod nekih motora postoje tri ili više zupčanika, koji osim osnovne namene, imaju i zadatak da pokreću osovine za pogon pomoćnih ureĎaja motora (npr. benzinska pumpa, razvodnik paljenja, pumpa za ulje, pumpa visokog pritiska i td.). Lanac i lančanici kao sistem prenosa primenjuju se često kod OHC – sistema razvoda (slika 1.11). . Slika 1.10 Razvodni mehanizam sa zupčanicima 1-osovina klackalica 2-navrtka za podešavanje zazora ventila 3-opruga ventila 4-šipka podizača 5-izduvni ventil 6-usisni ventil 7-podizač 8-bregasta osovina 9-breg 10-kolenasto vratilo 11-zupčanik kolenastog vratila 12-zupčanik bregaste osovine 13-mesto za merenje zazora ventila 14-klackalica za otvaranje ventila
Slika 1.11 Razvodni sistem sa lančanikom Kod većih duţina lanaca potrebni su specijalni zatezači koji kompenzuju izduţenje lanca prilikom trošenja lanaca, tj. pojave zazora pri duţem radu. Kod lanaca manje duţine primenjuju se klizači, koji su izraĎeni od termoplastičnih materijala koji smanjuju trenje a otporni su na habanje. Kod lanaca veće duţine
26
mogu se primenjivati i klizači u vidu zglobnih poluga i opruga, kao i umetnuti lančanici koji pod dejstvom svoje opruge stalno odrţavaju zategnutost lanca[39]. Osnovni nedostatak lančanika i lanaca kao sistema prenosa je pojava zazora zbog trošenja elemenata sistema, što dovodi do poremećaja u radu motora. Prenos pomoću nazubljenog remena (zupčastog kaiša) i remenice najčešće se primenjuje kod sadašnjih brzohodnih motora (slika 1.12). Prednost se sastoji u tome što ovaj sistem ne zahteva podmazivanje i što su montaţa i demontaţa jednostavne, jer se elementi sistema nalaze van kućišta motora i zaštićeni su samo plastičnim poklopcem. Rad motora sa ovim prenosom je tih.
1 - vijak glave cilindra, 2 - zupanik bregaste osovine, 3 - glava cilindra, 4 - zaptivač glave cilindra, 5 - prečistač ulja, 6 - ozubljni remen, 7 - potisna ploča, 8- frikciona spojnica, 9 – zaptivač, 10 - korito motora, 11 - navojni čep, 12 - pumpa za vodu, 13 - remenica, 14 - klinasti remen
Slika 1.12. Izgled motora u rasklopljenom stanju sa ozubljenim remenom Ovi kaiševi imaju sloţenu konstrukciju, jer su proizvedeni od fiberglasa, kevlara ili slojevite unutrašnje srţi opletene čelikom, premazane slojem veštačke gume, neoprena ili visoko zasićenog nitrila (HSN) koji je otporan na habanje i toplotu (slika 1.13 ). Zupci koji mogu biti krivolinijski, modifikovani krivolinijski (sa malo zaobljenom formom izmeĎu zubaca) ili trapezoidni su integralno upresovani na bliske tolerancije i imaju porub od izdrţljivog materijala za duţu upotrebu. 27
Tokom eksploatacije, minimalno je razvlačenje, nije potrebno podmazivanje, nečujan rad i velika efikasnost u radu glavne su odlike ovog kaiša.
Slika 1.13 Izgled poprečnog preseka kaiša i tipovi zubaca Ventiliski sklop i bregasta osovina. Otvaranje i zatvaranje ventila (razvod) mora da bude tako izvedeno da se ventili otvaraju i zatvaraju tačno u odreĎeno vreme, da budu dovoljno dugo otvoreni da se gasovi potpuno razmene i da rade tiho i dovoljno pouzdano pri različitim obrtajima motora. Bregasta osovina koja je smeštena dole u bloku motora pomera šipke podizača i klackalice. Samu bregastu osovinu okreće radilica preko lanca, kaiša ili zupčaničkog prenosa i to polovinom broja obrtaja motora. Bregasta osovina se okreće i breg na istoj podiţe valjak na klackalici, a time i samu klackalicu koja se okreće oko osovine koja je nepomična. Ovim dejstvom spušta se drugi krak klackalice na kome je montiran zavrtanj za potiskivanje ventila. Ovaj zavrtanj potiskuje ventil na dole i otvara ga. Pošto se na gornjem delu ventila nalazi pričvršćen deo za montaţu ventilnih opruga, to ovaj deo hodom ventila nadole pritiskuje i sabija opruge ventila koje se na svom donjem kraju oslanjaju na glavu cilindarskog bloka. Kada ventil stigne na svoju najniţu tačku, tj. kada je potpuno otvoren, na bregastoj osovini se već okrenuo i više ne potiskuje ventil na dole i sada potisnute opruge vraćaju opet ventil na svoje mesto, tako da se donji deo ventila opet priljubio na svoje sedište. U ovom kretanju ventil se svojim stablom kreće u svojoj voĎici koja je umetak od livenog gvoţĎa. Konstrukcija celog ovog sistema je takva da ventil u svojoj voĎici ne sme da ima bočne potiske da ne bi došlo do kočenja rada ventila. Zavrtanj za potiskivanje ventila sluţi kako za potiskivanje ventila, tako isto i za podešavanje zazora izmeĎu samog ventila i zavrtnja. Ovaj zazor mora da postoji iz razloga što se ventili za vreme rada motora zagrevaju (naročito izduvni ventil) i prema tome i steţu. Ventili se izraĎuju od hrom - nikl ili tungsten čelika koji mora da je veoma otporan pošto naročito izduvni ventil radi pod veoma visokom temperaturom, a pored toga oba ventila udaraju velikom brzinom ili zatvaranju na svoja sedišta. Pored ventila izraĎenih od jednog jedinog metala postoje i takozvani bimetalni ventili, kod kojih je stablo ventila izraĎeno od hrom - silicijum čelika koji ima vrlo dobre osobine klizanja, dok je pečurka ventila izgraĎena od hrom -
28
nikl čelika koji je veoma otporan prema toploti. Stablo ventila je zavareno za donji deo ventila sa pečurkom. VoĎice ventila se prave od livenog gvoţĎa i na svom odgovarajućem mestu su ili uvrnute ili pak nabijene presom pod pritiskom. Opruge ventila su opterećene pri radu i moraju biti sigurne protiv loma, pa se zbog toga izraĎuju od kaljene čelične ţice, ili od tzv. klavir čelične ţice koja ima veliku otpornost od kidanja. Bregaste osovine se prave od čelika za cementaciju. Posle cementacije bregasta osovina se okali, a zatim se bregovi na brusilicama izbruse da bi dobili savršeno ravne površine, jer se pomoću njihovih površina potiskuju ventili radi otvaranja. Danas, bregaste osovine liju se od naročitog gvoţĎa velike otpornosti sa dodatkom nikla, hroma i molibdena (slika 1.14).
Slika 1.14 – Bregasta osovina Elektromagnetni sistem razvoda materije Ovaj sistem bi uskoro mogao da izbaci iz upotrebe bregasto vratilo. Kod novog ventilskog mehanizma bregasto vratilo zamenjeno je elektromagnetima. Umesto brega bregastog vratila i hidrauličnog kompenzatora zazora, kakvi se ugraĎuju u moderna vozila, iznad svakog ventila nalazi se elektromagnet koji upravlja otvaranjem i zatvaranjem svakog ventila posebno. Podrazumeva se da se elektromagnet nalazi pod kontrolom računara, koji precizno definiše trenutak otvaranja i zatvaranja ventila, kao i njegov hod. Prednosti ovakvog rešenja su brojne. Prvenstveno, kompjuter ima mogućnost daleko preciznijeg upravljanja radom ventila, jer je on u potpunosti osloboĎen mehaničke sprege. Tokom testiranja, već početni rezultati pokazali su smanjenu potrošnju i zagaĎenje za 20 %. TakoĎe, zamena klasičnog kaiša ili lanca električnim provodnikom povoljno utiče i na performanse, pogotovo na obrtni moment, koji je dostupan na niţim brojevima obrtaja.
29
1.5 ČETVOROTAKTNI OTO MOTOR 1.5.1
PRINCIP RADA ČETVOROTAKTNOG OTO – MOTORA
Kao što i naziv kaţe, rad istog moţemo (uslovno rečeno) podeliti na četiri ciklusa (takta) koji meĎusobno nepovezani ne bi mogli ni postojati (slika 1.15): I takt: USISAVANJE II takt: SABIJANJE ili KOMPRESIJA III takt: ŠIRENJE ili EKSPANIZIJA IV takt: IZDUVAVANJE U toku prvog takta bregasta osovina otvorila je usisni, dok je snaţna opruga zatvorila izduvni ventil. Klip se kreće od gornje ka donjoj mrtvoj tački usled čega se u prostoru izmeĎu klipa, cilindra i glave motora javlja pad pritiska koji omogućava da dati prostor popunjava sveţa radna materija, odnosno smeša benzina i vazduha. Zato prvi takt i nazivamo taktom usisavanja. Kada klip doĎe u donju mrtvu tačku, bregasta osovina prestaje da vrši pritisak na usisni ventil i snaţna opruga zatvara isti, pri čemu započinje takozvani drugi takt.
Slika 1.15 Četiri takta pri radu četvorotaktnog oto-motora Usled kinetičke energije zamjaca i drugih rotirajućih elemenata ili usled obrtnog momenta elektropokretača dolazi do kretanja klipa ka gornjoj mrtvoj tački prilikom čega isti sabija smešu ispred sebe u prostor izmeĎu klipa, manjeg dela cilindra i glave motora (tzv. kompresioni prostor). Prilikom sabijanja kolenasto vratilo preko klipnjače potiskuje klup trošeći izvestan rad na sabijanje gasa. Ovaj utrošeni rad ide na povećanje energetskog potencijala gasa, izraţenog njegovim pritiskom i temperaturom. Usled toplote pri sabijanju kapi goriva se potpuno pretvore u paru[39]. 30
Kada se klip pribliţi gornjoj mrtvoj tački dolazi do paljenja sabijene smeše električnom varnicom. Nakon jednog kratkog perioda koji se naziva period prijatnog sagorevanja počinje burno sagorevanje goriva uz oslobaĎanje odgovarajuće količine toplote. OsloboĎena toplota predaje se produktima sagorevanja usled čega njihova temperatura raste, dostiţući i premašujući vrednost 2000 °C. Posle sagorevanja sledi širenje gasa. U toku ovog takta klip se kreće od gornje prema donjoj mrtvoj tački, pri čemu su oba ventila zatvorena. Produkt saogrevanja potiskuju klip nekom silom koja je srazmerna pritisku u cilindru, vršeći rad. Rad koji se dobija u toku ekspanzije troši se na pokrivanje sopstvenih gubitaka motora, a ostatak se preko spojnice na kolenastom vratilu predaje mašini ili ureĎaju koji motor pokreće. Širenje je jedini takt četvorotaktnog motora pri kome se dejstvom gasa na klipu dobija rad koji se preko klipnjače prenosi na kolenasto vratilo. Zato se širenje ili ekspanzija naziva radnim taktom. Ostala tri takta izvršavaju se uz utrošak rada na kolenasto vratilo pa se nazivaju i pasivnim taktovima. Za vreme takta izduvavanja klip se kreće od donje mrtve tačke prema gornjoj mrtvoj tački, te se pored otvorenog izduvnog ventila iskorišćeni produkt sagorevanja izduvavaju u izduvni vod, a odatle u atmosferu. 1.5.2 TEORIJSKI OTO - CIKLUS Teorijski oto - ciklus je termodinamička osnova oto – motora(slika 1.16) . Kod ovih motora vrši se sagorevanje gotove smeše, koja je prethodno umereno sabijena. Paljenje u povoljno i zabranjenom trenutku, pri kraju hod sabijanja, tako da se sagorevanje obavlja uz vrlo malu promenu zapremine, a da pri tom brzina porasta pritiska ne prekorači dozvoljene granice. Ovakav tok linije sagorevanja omogućuje da se realni dijagram oto - motora aproksimira termodinalmičkim ciklusom sa dovoĎenjem toplote pri V = const nazivanim oto - ciklus. Teorijski oto-ciklus sastoji se od sledećih faza: 1 - 2 adijabatsko (izotropsko) sabijanje 2 - 3 izohorsko dovoĎenje toplote Q1 3 - 4 adijabatsko širenje 4 - 1 izohorsko odvoĎenje toplote Q2 Osnovni pokazatelji teoretskog ciklusa su: 1. Teorijski stepen iskorišćenja t - pokazatelj ekonomičnosti preobraţaja toplotne energije u mehaničku energiju .Teorisjki stepen iskorišćenja predstavlja odnos izmeĎu dobijene mehaničke energije pri odvijanju
31
ciklusa Wt i toplote Q1 koja je dovedena ciklusu (izraţene istim jedinicama). 2. Srednji teorijski pritisak ili njemu brojno jedan specifični rad ciklusa pokazatelji efektivnosti ciklusa, tj. pokazatelji snage koja se ovakvim ciklusom moţe ostvariti u teorijskom motoru.
p
stvarni ciklus teorijski ciklus
3(p3T3)
Q1
2(p2 T2)
Wt
4(p4T4) Q2
po=1bar
p1 = po
1(p1,T1)
V
V Vc
Vh
V2 = Vc
Vh V1 = Vh + Vc
Slika 1.16 Stvarni i teorijski ciklus četvorotaktnog oto-motora u p-V dijagramu 1.5.3 RAZVOĐENJE RADNE MATERIJE Šema razvoda predstavlja dijagram na kome su prikazani momenti otvaranja i zatvaranja organa za razvoĎenje radne materije. Kod četvorotaktnih motora zasniva se na momentima otvaranja i zatvaranja ventila, a kod dvotaktnih na momentima otvaranja i zatvaranja ulaznih i izlaznih okana. Na šemi razvoda su na putu kolena kolenastog vratila paralelno naznačeni ovi momenti, kao i pojedine faze izmene radne materije. Ali suštinsko pitanje ovde jeste obrazloţenje momenata otvaranja i zatvaranja pojedinih razvodnih organa, kako bismo u datom slučaju mogli što pravilnije odabrati uslove otvaranja i zatvaranja razvodnih organa. Najzad, na šemi razvoda mogu se uslovno naznačiti moment paljenja, moment sagorevanja, trajanje ubrizgavanja i zatvaranja startnog ventila u slučaju startovanja komprimovanim vazduhom. Vreme otvaranja i zatvaranja usisnog i izduvnog ventila, preseci izduvnog i usisnog kanala, visina podizanja i zakonitost kretanja ventila, biraju se iz uslova 32
da se dobije što veći koeficijent punjenja motora uz utrošak što manje rada na proces izmene radne materije, vodeći pri tome računa o mogućnosti realizacije i veku trajanja u eksploataciji. U teorijskom dijagramu linija širenja voĎenja je do utrošnje (donje) mrtve tačke. Praksa je pokazala da je bolje izduvni ventil otvoriti ranije, tj. pre dolaska klipa u unutrašnju (donju) mrtvu tačku i to utoliko ranije, ukoliko je motor brzohodniji. Postoji jedna optimalna tačka na liniji ekspanzije, koja obezbeĎuje dobijanje maksimalnog pozitivnog rada i minimalnog izduvavanja. Suviše rano otvaranje izduvnog ventila dovela bi do gubitka pozitivnog rada zbog preranog prekidanja ekspanzije, dok bi suviše kasno otvaranje ovog ventila tačka dovelo do povećanja rada koji se troši na izbacivanje produkata saogrevanja, tj. ovaj negativan rad bi bio veći od rada dobijenog produţenom ekspanzijom. Ovde treba imati u vidu i činjenicu da se ventili iz dinamičkih uslova podiţu lagano sa svog sedišta, tj. u početku podizanje protočni presek na ventilu je veoma mali. Uz to je i protočki profil nepovoljan, tekući koeficijent protoka je mali, te iako je odnos pritisaka u cilindru i izduvnom kolektoru nadkritičan, količine koja ističe iz cilindra u toj početnoj fazi je mala i pad pritisak neosetan. Tek kada se ventil više podigne sa svog sedišta, povećava se i količina isteklog gasa i brzina opadanja pritiska. Pri tom, ne treba zaboraviti da se klip pri pribliţavanju unutrašnjoj (donjoj) mrtvoj tački kreće sve sporije i da je tendencijalna komponenta gasne sile ovde minimalna, te je korisno da se ova faza ciklusa iskoristi za evakuaciju što veće količine produkata sagorevanja iz cilindra pod sopstvenim nadpritiskom. Iz tih razloga ugao prethodnog otvaranja izduvnog ventila 1, naročito kod brzohodnih motora, ima dosta veliku vrednost. Pri daljem kretanju klipa ka spoljnjoj (gornjoj) mrtvoj tački, istiskuju se preostali produkti prinudno iz zapremine V2, ali zaostaju u kompresionoj zapremini Vc. Izduvni ventil se zatvara po prilasku klipa kroz spoljnju (gornju) mrtvu tačku, što omogućava dodatno izlaţenje produkata saogrevanja, jer je sve do tačke 3 pritisak u cilindru veći od pritiska u izduvnom kolektoru, a osim toga produkti sagorevanja su usmereni prema izduvnom vodu i povoljno formirani depresioni talas u izduvnoj cevi mogao bi izazvati dodatno isisivanje produkata sagorevanja iz cilindra i izazvati obaranje pritiska na kraju izduvavanja, što je poţeljno. Usisni ventil počinje otvaranje pri kraju hoda izduvavanja. U tom trenutku je pritisak u cilindru veći od atmosferskog i svakako veći od pritiska u usisnoj cevi. Od prodora produkata sagorevanja u usisnu cev ipak ne dolazi, jer je vreme za koje vlada ovaj nepovoljni odnos pritisaka izuzetno kratko, a izduvni gasovi su usmereni i po inerciji se kreću prema izduvnom ventilu, koji je u tom periodu još otvoren. Ovako postavljen početak otvaranja usisnog ventila uslovljen je zakonitošću njegovog kretanja. 33
Iz dinamičkih razloga, da bi se smanjile inercijske sile pokretnih delova razvodnog mehanizma, profil brega na bregastom vratilu konstruisan je tako da se u početnoj fazi otvaranja ventil podiţe sasvim lagano sa sedišta. Ranijim otpočinjanjem otvaranja postiţe se to, da kada klip svojim kretanjem ostvari depresiju u cilindru imamo odgovarajući protočni presek na ventilu. Stvarno ulaţenje sveţe radne materije ne počinje odmah po otvaranju usisnog ventila. Čak i početni deo hoda usisavanja utrošen je na širenje produkata sagorevanja zaostalih u kompresionom prostoru nakon hoda izduvavanja. Načelno, sa povećanjem brzohodnosti trebalo bi povećati uglove predotvaranja, odnosno kasnije zatvaranja u odnosu na odgovrajuću mrtvu tačku. U praksi ovo pravilo nije uvek potvrĎeno što je posledica sloţenosti procesa, izmene radne materije i dokaz da dinamički efekti mogu imati različit uticaj kod raznih konkretnih konstrukcija. Šema razvoda je naročito osetljiv problem kod motora koji u eksploataciji rade u širokom dijapazonu promene broja obrtaja, kao što je slučaj kod motora za pogon motornih vozila. Ovde se mora obezbediti što bolje punjenje zbog zahteva za velikom specifičnom snagom ali je poţeljan i povoljan tok promene stepena punjenja pri promeni broja obrtaja da bi se dobio povoljan tok obrtnog momenta motora. 1.5.4 STEPEN SABIJANJA (KOMPRESIJA) Nakon završenog procesa izmene radne materije nastaje proces sabijanja. Da bi se odredilo stanje radnog medijuma na kraju sabijanja, treba proučiti uslove i uticaje pod kojima se izvodi ovaj proces. Pri analizi teorijskog ciklusa ustanovili smo da je stepen kompresije najbitniji uticajni faktor na ekonomičnost ciklusa. Pri većem stepenu sabijanja obezbeĎuje se i veći stepen ekspanzije produkata sagorevanja, te se time povećava rad ciklusa pri istoj utrošenoj količini toplote Q1. S povećanjem stepena sabijanja gornji temperaturni novi ciklusa se povišava, obezbeĎuje se veći toplotni pad, a to poboljšava iskorišćenje toplote. MeĎutim, previsoke temperature povećavaju disocijaciju, što relativno umanjuje ekonomičnost a povećava toksičnost. Uslovi sagorevanja u realnom motoru postavljaju sa svoje strane zahteve i granice u izboru stepena sabijanja. Kod motora sa spoljnim ostvarivanjem smeše sabijanja je gotova smeša, te je stepen kompresije ograničen opasnošću od samopaljenja i od pojave detonacije. Kod oto - motora je prema tome, postavljena gornja granica stepena sabijanja, iznad koje se ne sme ići. Temperatura na kraju sabijanja kod ovih motora mora ostati ispod temperature samopaljenja goriva: T c T samopaljen
34
ja
100
Stepen sabijanja je procesna ali i konstrukcijska karakteristika koju je na izvedenom motoru teško menjati u širim granicama. Zbog toga se još u toku proračuna i konstruisanja motora mora temeljno proučiti izvor ovog parametra. Tendencija ka njegovom povećanju opravdana je i kod oto - motora sa gledišta ekonomičnosti pa i sa gledišta termičkog opterećenja motora, ukoliko se nismo suviše pribliţili oblasti samopaljenja i detonacije. S druge strane, treba formirati takav oblik prostora sagorevanja koji će obezbediti regularno, tj. bezdetonatno sagorevanje i pri povećanim stepenima sabijanja. Osnovni faktori koji utiču na proces sabijanja su[12]: 1. Intenzitet hlaĎenja motora. Ako je hlaĎenje intenzivnije, onda je veće odavanje toplote zidovima radnog prostora, 2. Broj obrataja. Sa povećanjem broja obrtaja usklaĎuje se vreme izmene toplote. 3. Kubatura cilindra. Sa povećanjem zapremine cilindra smanjuje se odnos zapremine gasa i obuhvata površinu kroz koju se vrši izmena toplote. 4. Vihorenje radne materije. Vihorenje radnog medijuma je poţeljno i kod oto - motora i kod dizel - motora, jer povoljno utiče na stvaranje smeše i sagorevanje. Sa povećanjem intenziteta vihorenja pospešuje se prelaz toplote na dodirnim površinama. 5. Motori sa razuĎenim prostorom sagorevanja imaju relativno veću površinu hlaĎenja, te i veće odavanje toplote. 6. Kod teže isparljivih goriva karburatorskih oto - motora moţe jedan deo goriva da isparava i u toku sabijanja apsorbujući pri tom izvesnu količinu toplote. 7. Kod prehranjivih motora je veći odnos količine gasa na jedinici rashlaĎene površine, a odavanje toplote manje. 8. Opterećenje motora. Sa povećanjem opterećenja povišava se srednja temperatura zidova radnog prostora što umanjuje odavanje toplote od gasa. Kod motora sa količinskom regulacijom opterećenja, pri promeni opretećenja menja se odnos količine radne materije i rashladne površine i temperaturni nivo zidova, što se odraţava na količinu izmenjene toplote. 9. Stepen kompresije. Sa povećanjem stepena sabijanja, raste temperatura gasa u toku sabijanja i veće je propuštanje kroz procepe. Stanje gasa na kraju sabijanja. Proces sabijanja u teorijskom ciklusu obavlja se pri kretanju klipa od unutrašnje (donje) mrtve tačke do spoljne (gornje) mrtve tačke. Pri tome se zapremina iznad klipa smanjila od Vh + Vc. Odnos Vn + Vc : Vc predstavlja stepen kompresije, tačnije geometrijski stepen kompresije. U realnom motoru sabijanje radne materije počinje od momenta zatvaranja ulaznog kanala. Taj moment pada znatno iza unutrašnje (donje) mrtve tačke. Isto tako pre dolaska klipa u spoljnju (gornju) mrtvu tačku vrši se paljenje ili počinje 35
ubrizgavanje goriva, a nakon kratkog perioda pritajenog sagorevanja počinje burnije sagorevanje praćeno porastom temperature i pritiska gasa. To znači da je sabijanje završeno pre dolaska klipa u spoljnju (gornju) mrtvu tačku.
1.5.5 PROCES SAGOREVANJA I VIDOVI NENORMALNOG TOKA SAGOREVANJA KOD OTO MOTORA Proces sagorevanja i proces koji za njim sledi - širenje su osnovni procesi radnog ciklusa motora sa unutrašnjim sagorevanjem. U toku tih procesa se hemijska energija goriva pretvara u toplotnu, a ova delimično u mehanički rad. U teorijskim ciklusima pretpostavlja se dovoĎenje toplote po izohori, izobari ili kombinovano. Ostvarenje takvih linija procesa u realnom motoru ne samo da je nemoguće, već i nepoţeljno. DovoĎenje toplote pri V = const u realnom motoru, značilo bi da se sagorevanje goriva vrši trenutno, tj. beskonačno velikom brzinom sagorevanja. To je sa realnim gorivom nemoguće, a sa gledišta motora nedopustivo. Ovakvi nagli porast pritiska bio bi praćen veoma brutalnim udarima, motor bi radio "tvrdo" sa velikom bukom, a njegovi delovi bi bili izloţeni veoma nepovoljnom udarnom opterećenju. Sagorevanje pri p = const nemoguće je ostvariti u realnom motoru, jer je nemoguće oslobaĎanje toplote regulisati tako da se pri povećanju zapremine prostora sagorevanja, pritisak u njemu odrţava konstantnim, mada bi ovakav način oslobaĎanja toplote bio dopustljiv sa gledišta opterećenja motora. Stvarna linija po kojima se vrši dovoĎenje toplote u realnom ciklusu, odstupaju od terorijskih. Kako period dovoĎenja toplote (sagorevanja) traje relativno kratko, jer se iz razloga ekonomičnosti teţi da se oslobaĎanje toplote pomera što brţe spoljnjoj (gornjoj) mrtvoj tački, to je ovaj proces sagorevanja nezgodno posmatrati u p-v dijagramu. Mnogo je bolje taj proces posmatrati u p- dijagramu, gde su pritisci u cilindru dati u funkciji ugla kolena kolenastog vratila. Ovakav razvijeni indukatorski dijagram moţe se snimati na izvedenom motoru, na primer pomoću električnog indukatora. Procesi stvaranja smeše goriva i vazduha i sagorevanje od velikog značaja su za izvoĎenje racionalne konstrukcije motora i za eksploataciju istog. U toku eksploatacije oto - motora moţe doći i do raznih oblika abnormalnog sagorevanja, kada je na neki način narušen normalni tok sagorevanja. Osnovni oblici nenormalnog sagorevanja su detonatno sagorevanje i površinsko paljenje. Zavisno od konstrukcije motora, primenjenog goriva i eksploatacionih uslova, ispoljiće se jedan ili drugi oblik nepravilnog sagorevanja. MeĎutim, ove dve pojave, koje su u suštini različite, mogu jedna drugu izazvati i pospešivati.
36
Detonatno sagorevanje. Normalno sagorevanje kod oto - motora odvija se preko fronta plamena, koji se kreće od svećice brzinom od oko 40 m/s, zahvatajući sve nove i nove količine smeše, dok ne sagori cela količina. Pri tome je paljenje smeše izmeĎu elektroda svećica izvršeno električnom varnicom, dok se paljenje ostale smeše vrši nailaskom fronta plamena. Pod izvesnim nepovoljnim okolnostima moţe doći do toga da se spontano pali smeša ispred fronta plamena sagorevajući skoro trenutno, uz lokalni porast temperature i pritiska. Ovaj nagli skok pritiska onemogućava kontinualno izjednačavanje pritiska u celom prostoru sagorevanja, kako to biva pri normalnom sagorevanju, već se javljaju talasi pritiska sa velikim amplitudama, koji se kreću kroz prostor sagorevanja brzinom 1000 do 2000 m/s. Udarajući o zidove prostora sagorevanja ovi talasi izazivaju vibracije elemenata, što se manifestuje zvonkim udarom, slično udaru metala o metal. Ovakvo udarno opterećenje dovodi do veoma nepovoljnih mehaničkih naprezanja elemenata motora. Osim toga, trenutno sagorevanje većih količina smeše dovodi do naglog oslobaĎanja velikih količina toplote i do naglog lokalnog skoka temperature nastalih produkata sagorevanja. S obzirom i na izazvano oscilovanje gasa u cilindru, i na mogućnost razaranja graničnog sloja na zidovima prostora sagorevanja, dolazi do odavanja toplote istom, što dovodi do povećanja termičkog opterećenja odgovarajućih motorskih delova. Ukoliko je veća količina smeše izloţena detonatnom sagorevanju, utoliko su udarna mehanička i termička opterećenja više izraţena, što motor ne bi mogao da podnese duţe vreme. Sam mehanizam fenomena detonacije nije u potpunosti poznat. Postoji nekoliko teorija koje tumače nastajanje i razvoj ovog fenomena (teorija peroksidacije, talasna teorija). Fotografisanjem procesa sagorevanja na eksperimentalnim motorima pomoću specijalnih kamera ustanovljeno je da se u slučaju pojave detonacije, usled fronta plamena javljaju centri upaljenja, od kojih se sagorevanje prostire veoma brzo, zahvatajući trenutno celu preostalu smešu. Ovo ukazuje da je taj poslednji deo smeše doveden do uslova samopaljenja. Kako se ovde radi o gotovoj, manje - više homogenoj smeši, to su skoro sve čestice u poslednjoj količini smeše dovedene do uslova samopaljenja. Centri upaljenja ukazuju na neujednačenost sastava goriva i nepotpunu homogenost smeše. Pri prekoračenju graničnih vrednosti pritiska i temperature još nesagorele smeše (zavisi od sastava goriva i od konstrukcije prostora sagorevanja) brzina pripremne reakcije u smeši ispred fronta plamena moţe postati tako velika da to omogući pojavu centara samopaljenja i skoro trenutno sagorevanje preostale smeše.
37
Detonatno sagorevanje, pored zvučnog efekta koji nam otkriva njegovo postojanje, praćeno je povremenom pojavom crnih kolutova dima na izduvnoj cevi, povišenim termičkim opterećenjem delova sa tendencijom zaribavanja, snaţnim skokovitim kolebanjem pritiska pri kraju procesa sagorevanja, opadanjem snage motora i povećanjem potrošnje goriva. Rad motora pri detonatnom sagorevanju je nedopustiv, jer bi neminovno dovodilo oštećenju motora. Skokoviti porast sila od pritiska gasova napreţe klip i sve ostale delove motora mehanizma, a naročišto leţišta. Najopasnije je to što se prenos toplote od gasova zidova radnih prostora rapidno povećava, što dovodi do pregrevanja delova cilindarskog oklopa. Posledice povećanog mehaničkog i termičko opterećenja mogu biti: deformacije i pregrevanja klipa, povećano istrošenje cilindarske košuljice i klipnih prstenova, povećano istrošenje i oštećenje leţišta i pregorevanje ventila. Na pojavu detonacije utiče, pre svega, primenjeno gorivo, zatim konstruktivni faktori, vezani za karakteristike konstrukcije motora i najzad eksploatacioni faktori, vezani za uslove rada motora u eksploataciji. 1. Osnovni uticajni faktor na pojavu detonacije je samo gorivo, njegov hemijski sastav i struktura molekula. Goriva se u pogledu otpornosti prema detonatnom sagorevanju svrstavaju prema svom oktanskom broju. Gorivo sa većim oktanskim brojem dozvoljava veći stepen sabijanja, a veći stepen sabijanja doprinosi povećanju ekonomičnosti i snage motora, kao i sniţenju termičkog opterećenja. Dodavanjem gorivu malih količina tzv. antidetonatora, moţe se povisiti njegova otpornost prema detonaciji. 2. Konstrukcija motora utiče na pojavu detonacije. U konstruktivne faktore ubrajamo: oblik komore sagorevanja (kompresionog prostora) stepen sabijanja, dimenzije i broj cilindra, poloţaj i broj svećica, vrsta hlaĎenja, materijal klipa i cilindarske glave. Oblik prostora sagorevanja ima bitan uticaj na pojavu detonacije. Razni oblici prostora sagorevanja, pri ostalim istim uslovima, pri radu sa istim gorivom, dozvoljavaju različite stepene sabijanja, što se odraţava i na postignute performanse u pogledu snage i potrošnje goriva. Stepen sabijanja je takoĎe konstruktivna karakteristika motora, koja je kod oto - motora ograničena opasnošću detonacije. Pri povećanju stepena sabijanja raste pritisak i temperatura na kraju sabijanja i pod ostalim istim okolnostima, smeša ispred fronta plamena izloţena je većim pritiscima i temperaturama, što pospešuje predplamene reakcije i povećava opasnost pojave detonacije. Prema tome za svako gorivo i svaki motor postoji maksimalno dozvoljeni stepen sabijanja. Dimenzija i broj cilindara po jednom karburatoru. Kod većih cilindara put plamena je duţi, a intenzitet hlaĎenja manji nego kod manjih cilindara. Zbog toga kod većih cilindarskih zapremina postoji veća opasnost od pojave detonatnog sagorevanja. 38
Broj cilindara koji se napajaju jednim karburatorom utiče na pojavu detonacije zbog toga što svi cilindri ne dobijaju smešu istog sastava, a uz to i punjenje cilindara nije sasvim jednako. Ako neki cilindar ima bolje punjenje od ostalih (usled dinamičkog dejstva oscilujuće smeše u usisnom vodu), a uz to dobija smešu takvog sastava koji pokazuje najveću sklonost ka detonaciji, onda bi takav cilindar ograničavao stepen kompresije, jer bi u njemu najpre moglo doći do pojave detonacije. Položaj svećice treba da bude u blizini visoko zagrejanih mesta u prostoru sagorevanja (izduvni ventil), jer bi smeša u blizini tih mesta, ukoliko bi bila udaljenja od svećice bila izloţena velikoj opasnosti od detonatnog sagorevanja. Kod velikih cilindara ponekad se postavljaju dve svećice na većem rastojanju, čime se skraćuje put fronta plamena do najudaljenijih delova smeše[39]. Vrsta hlaĎenja u velikoj meri zadire u konstrukciju motora, a preko intenziteta odvoĎenja toplote sa hlaĎenih delova utiče na njihov termički nivo, a samim tim i na pojavu detonacije. Kod vazdušnih hlaĎenja intenzitet odvoĎenja toplote je manji nego kod vodenog, pa je opasnost detonacije veća. Materijal cilindarske glave i klipa ima uticaja na pojavu detonacije preko koeficijenta provoĎenja toplote, od kojeg pri ostalim istim uslovima, zavisi termički nivo tih delova, i u krajnjoj liniji, intenzitet izmene toplote izmeĎu njih i smeše. Zahvaljujući većem koeficijentu toplote provodljivost aluminijumskih legura, zamenom klipa od livenog gvoţĎa aluminijumskim klipom, omogućuje se povećanje stepena sabijanja za 0,4 do 0,7 jedinica, a pri zameni i cilindarske glave moguće je dalje povećanje stepena sabijanja za 0,5 do 0,6 jedinica. 3. Eksploatacioni uticajni faktori na pojavu detonacije su: sastav smeše, broj obrtaja, opterećenje motora, ugao pretpaljenja, intenzitet hlaĎenja, predgrevanje smeše i taloţenje gareţi na zidovima prostora sagorevanja. Sastav smeše utiče na brzinu sagorevanja, pa preko nje i na pojavu detonacije. Ukoliko je u toku sagorevanja poslednja količina smeše dovodena u uslove koji omogućuju detonaciju (visok pritisak i temperatura) najveća sklonost ka detonaciji prikazivaće smeše sa koeficijentom viška vazduha od 0,8 do 0,85. Broj obrtaja motora utiče tako što se pri povećanju broja obrtaja povećava vihorenje smeše, a time i brzina sagorevanja, pa će front plamena za kraće vreme doći do najudaljenijih delova smeše. Intezivnije vihorenje dovodi do povećanog odavanja toplote od nesagorele smeše, odnosno do njene temperaturne homogenizacije, čime se smanjuje opasnost od detonacije. Pri povećanju broja obrtaja smanjuje se koeficijent punjenja motora, a povećava se količina zaostalih produkata sagorevanja, koji deluju u smislu ublaţvanja opasnosti od detonacije. Opterećenje oto - motora smanjuje se pritvaranjem leptira u usisnom vodu, čime se namerno smanjuje količina sveţeg punjenja. Pri tom količina zaostalih produkata sagorevanja ostaje nepromenjenja, pa se pri smanjenju 39
opterećenja rapidno povećava koeficijent zaostalih gasova. Toplotni gubici se relativno povećavaju, smanjuje se maksimalni pritisak ciklusa, a u znatnoj meri opada i temperatura zidova prostora sagorevanja. Sve nabrojane činjenice doprinose smanjenju opasnosti od detonatnog sagorevanja pri smanjenju opterećenja motora. Ugao pretpaljenja (momenta paljenja) ima znatan uticaj na pojavu detonacije. Pri ranijem paljenju, period burnog sagorevanja počinje se odbijati ranije, veći deo smeše sagorevanja pri minimalnoj zapremini i maksimalnom pritisku i temperaturi, što ubrzava pretplamene reakcije i na taj način povećava opasnost od detonatnog sagorevanja. Optimalna vrednost ugla pretpaljenja zavisi uglavnom od broja obrtaja, opterećenja motora, sastava radne materije i oktanske vrednosti goriva. Intenzivnije hlaĎenje obezbeĎuje niţu temperaturu zidova prostora sagorevanja, te umanjuje opasnost od detonacije. Termički jako opterećeni delovi (izduvni ventili, meĎuventilski greben, svećica) u kontaktu sa sveţom smešom odaju neku količinu toplote smeše. Zato ove delove treba što bolje hladiti. Naročito intezivno hlaĎenje zahteva najudaljeniji deo prostora sagorevanja, kao najverovatnije mesto pojave detonacije. Intezivnije hlaĎenje pretpostavlja povećanje toplotne gubitke, što ima za posledicu opadanje ekonomičnosti, ali to se često nadoknaĎuje povećanjem stepena sabijanja kod intezivnijih hlaĎenja motora. Predgrevanje smeše koje se primenjuje radi obezbeĎenja kvaliteta smeše mora biti toliko dozirana, budući da veliko predgrevanje, pored smanjenja koeficijenta punjenja, povećava i opasnost od detonacije. Deponovanje taloga na zidovima prostora sagorevanja povećava opasnost od pojave detonacije. S jedne strane nataloţeni sloj pogoršava hlaĎenje smeše, jer je njihov koeficijent toplote provodnosti oko 50 puta manji nego kod livenog gvoţĎa i čelika, a s druge strane nataloţeni sloj na zidovima smanjuje veličinu kompresione zapremine i veštački povećava stepen kompresije. U uslovima eksploatacije, sloj gareţi taloţi se relativno brzo i posle 1000 do 1500 km preĎenog puta vozila, njegova debljina se stabilizuje. Ako bi nataloţeni sloj postao uzrok detonatnog sagorevanja, pošto je nemoguće češće čišćenje, pribegava se smanjenju ugla pretpaljenja. Nekontrolisano paljenje. Pod pojavom nekontrolisanog paljenja kod oto motora treba podrazumevati paljenje smeše izvan momenta koji opredeljuje skakanje varnica na svećici. Ovakvo paljenje izazivaju jako zagrejani zidovi prostora sagorevanja, pre svega centralna elektroda svećice, izduvni ventil ili uţareni nataloţeni koks u prostoru sagorevanja, te se ono naziva i površinsko paljenje. Ako se nekontrolisano paljenje javlja pri skakanju varnice nazivamo ga prevremenim površinskim paljenjem. Skoro u 90 % slučajeva prevremenog 40
površinskog paljenja uzrok su pregrejane elektrode svećica (Rikardo). Ovo je razumljivo kad se ima u vidu da je zona svećica jedna od najtoplijih u prostoru sagorevanja, jer je najduţe izloţena visokim temperaturama produkata sagorevanja, a uslovi hlaĎenja, naročito centralne elektrode su oteţani. Ako bi se moment pojave nekontrolisanog paljenja poklopio sa momentom skakanja varnica, i kada bi u toku rada motora ovaj moment površinskog paljenja morao da ostane nepromenjen, rad motora bi se odvijao potpuno normalno. Ako bismo u takvom slučaju, isključili paljenje, motor bi i dalje nesmetano radio. MeĎutim, moment i mesto nastupanja površinskog paljenja nisu poznati. Ako već postoji neko pregrejano mesto na kome dolazi do površinskog paljenja i ako je reţim rada motora na kome je došlo do nekontrolisanog paljenja dugotrajan, onda postoji tendencija daljeg porasta temperature tog mesta, usled čega se moment nekontrolisanog paljenja pomera sve ranije i ranije. Dok postojanje detonacije u motoru se moţe otkriti po karakterističnom metalnom zvuku, postojanje površinskog prevremenog paljenja ne izaziva takve, lako primente pojave. Sve ranije pretpaljenje dovodi do sve većeg odstupanja od najpovoljnijeg momenta paljenja, tj. do sve većeg pogoršanja odvijanja procesa sagorevanja. Nezgode koje moţe izazvati ova pojava ne dolazi do prevelikih pritisaka, koji su posledica preranog paljenja smeše, već od povećanja količnika toplote koje se predaju delovima motora, te dovode do njihovog pregrevanja, što dovodi do zaribavanja klipnog okopa i havarija motora. Pojava nekontrolisanog paljenja naročito je opasna kod forsiranih motora koji rade sa visokooktanskim gorivima. Kod tih motora stepen sabijanja je dosta veliki, temperaturno stanje prostora sagorevanja je na visokom nivou, usled čega je povećana mogućnost pojave uţarenih mesta u prostoru sagorevanja, pa i pojave površinskog paljenja. Detonatno sagorevanje pri normalnom paljenju (svećicom) odlikuje se time što se pomeranjem momenta paljenja na ranije intenzitet detonacije pojačava, dok se kasnijim paljenjem moţe izbeći. Kod detonatnog površinskog paljenja pomeranje momenta skakanja varnice ne utiče na intenzitet detonacije. Površinsko paljenje se moţe javiti pre skakanja varnice (smeša se pali na pregrejanoj svećici ili na nekom drugom pregrejanom mestu u prostoru sagorevanja), u kom slučaju se govori o prevremenom površinskom paljenju. Ako se površinsko paljenje javlja posle upaljenja smeše varnicom na svećici (paljenje na nekom uţarenom mestu ali ne na elektrodama svećice) radi se naknadnom površinskom paljenju. Oba ova oblika površinskog paljenja mogu proći bez pojave detonacije, tj. od mesta površinskog paljenja širi se novi front paljenja brzinom normalnog sagorevanja. Pri tome moţe doći do nenormalnosti kao što su[39]: - motor radi posle isključenog električnog paljenja (paljenje se vrši na uţarenom zidu), 41
- nemogućnosti startovanja vrelog motora, jer se paljenje na uţarenim površinama javlja toliko pre spoljašnje mrtve tačke, da to izaziva povratak klipa, - brujanje, koje je posledica naglog porasta pritiska u togu sagorevanja usled suviše ranog ili višetrukog površinskog paljenja, izazvanog talozima u prostoru sagorevanja, - sve ranije površinsko paljenje, koje se javlja nakon svakog radnog ciklusa, izazvano nekim pregrejanim mestom (svećica, ventil), praćeno velikim pregrevanjem motora, sa mogućnošću teških oštećenja. MeĎutim površinsko paljenje moţe preći u detonatno površinsko paljenje koje pored već navedenih nenormalnosti, moţe biti praćeno nenormalnim tokom sagorevanja, kao što je: - povremeno detonatno sagorevanje, sa jednim ili nekoliko veoma jakih udara, prouzrokovano veoma ranim paljenjem pomoću čestica gaĎa, - tutnjanje sa dubokom kliktajućom bukom, izazvanom suviše naglim porastom pritiska usled ranog momenta paljenja, potpomognuto novim frontom plamena, koji se prostire do mesta površinskog paljenja (obično sa slojem čaĎi). 1.5.6 KONSTRUKCIJA MOTORA SA SMANJENOM POTROŠNJOM GORIVA- MDS Osmocilindrični Hemi motor koji je dobio naziv po hemisferičnoj glavi našao je višestruku primenu zbog pouzdanosti u eksploataciji, ali mana mu je velika potrošnja goriva. Pred konstruktore postavljen je zadatak da se naĎe način za smanjenje potrošnje, ali da se bitno ne promene osobine i performanse motora. Rezultat je sistem varijabilnog pomeranja (MDS – Multi-Displacement System), koji omogućava da se, po potrebi, isključe četiri od postojećih osam cilindara motora. Hemi MDS motor ima alternativu izmeĎu uglaĎene, visoko ekonomične voţnje u modu sa četiri cilindra, kada je potrebno manje snage i mod V8 motora, kada je potrebna veća i kompletna snaga moćnog agregata. Motor je opremljen računarom i elektronikom koja analizira voţnju, i po potrebi, uključuje ili isključuje cilindre, zavisno od načina voţnje i performansi koje su potrebne u tom trenutku. U motoru postoji uljna magistrala koja aktivira, odnosno deaktivira podizače ventila. Kada nisu potrebne maksimalne performanse motora, elektronika odlučuje da se mogu isključiti četiri cilindra. Tada se smanjuje pritisak ispod podizača ventila koji se isključuju iz rada. Ventili ostaju zatvoreni, a u cilindru nema procesa sagorevanja. Izbegnuto je strujanje, odnosno sabijanje vazduha kroz ove neaktivne cilindre, pa nema suvišnog rada i gubitka 42
energije. Zapremina koju je potrebno napuniti zapaljivom smešom se smanji za pola i motor se ponaša kao bilo koji manje zapremine. Motor radi sa četiri cilindra kada je brzina konstantna prilikom putnih krstarenja i ne prelazi 105 km/h, kada nema naglih ubrzanja, prilikom voţnje u gradskim uslovima i na manjim usponima (slika 1.17)[47].
Slika 1.17
Presek Hemi motora
Kada vozač iznenada pritisne pedalu gasa i očekuje snagu i ubrzanja na koja je navikao kod ovakvih motora, elektronika u trenutku uradi svoj deo posla. Poveća se pritisak u magistrali i aktiviraju se podizači ventila, a cilindri koji su bili neaktivni se stave u pogon, pa se obezbeĎuju maksimalne performanse V8 motora. Hemi motor ima dva ventila po cilindru, a nove generacije imaju i dve svećice po cilindru. One pomaţu u rešavanju problema emisije štetnih gasova. Dve svećice iniciraju dva fronta plamena u komori za sagorevanje, što garantuje bolje i kompletno sagorevanje. Ovaj sistem je stalno aktivan i vozač ga ne moţe uključiti ili isključiti po ţelji. TakoĎe, ne mora da menja svoj način voţnje niti da se prilagoĎava motoru, jer se motor prilagoĎava voţnji. Elektronika i računarska jedinica u vozilu odreĎuje kada će isključiti četiri cilindra, a kada će raditi svih osam. Vozač ne oseća nikakve promene tokom voţnje, jer su ove promene trenutne i neprimetne.
43
