Motori i Motorna Vozila

Motori i Motorna Vozila Izvodi iz nastave

Izvodi iz istorije motora •

1860 Lenoar, prvi klipni motor sa unutrašnjim sagorevanjem, bez takta sabijanja, neefikasano (50 milja na tri toĉka)

•

1862 Roša, teorijski proces ĉetvorotaktnog motora sa sabijanjem pre sagorevanja, efikasno (samo patent ĉetvorotaktnog motora, ne i motor)

•

1876 Oto, praktiĉan ĉetvorotaktni motor sa paljenjem varnicom

•

1887 Dajmler* i Benc, primena klipnog motora za pokretanje automobila Praktiĉna upotreba motora za vozilo pokreće razvoj motora

•

1890 Majbah, ĉetvorocilindriĉni ĉetvorotaktni motor

•

1892 Dizel, ĉetvorotaktni motor sa samopaljenjem (2 god. ranije teorijski ciklus)

•

1956 Vankel: Rotaciono ekscentriĉno kretanje klipa (trohoida) Zamena oscilatorno – pravolinijskog kretanja klipa obrtnim kretanjem klipa

MOTOR Definicija: Klipni motor sa unutrašnjim sagorevanjem je toplotni motor koji toplotnu energiju, dobijenu sagorevanjem goriva, pretvara u mehanički rad.*

SUS: Sa Unutrašnjim Sagorevanjem

Ĉetvorocilindriĉni klipni motor uzduţni presek

Ĉetvorocilindriĉni klipni motor popreĉni presek

Ĉetvorocilindriĉni klipni motor uzduţni presek

Ĉetvorocilindriĉni klipni motor popreĉni presek

Rad u p,V dijagramu* kod promene stanja radnog tela p

Fg S

W  Fg  h W  p  S  h W  p  V

 W  pdV W

V2

V2

V1

V1

 pdV   f V  dV

Rad u p,V dijagramu predstavljen je površinom, zbog ĉega je ovaj dijagram nazvan ―Radni dijagram‖. (Površina u p,V dijagramu pedstavlja rad).

Površina koja predstavlja rad je omeĎena: • Krivom AB procesa • Ordinatama u krajnjim taĉkama – stanjima procesa • Odseĉkom (V2 – V1) na apscisi U toku širenja radnog tela (ekspanzija) rad se dobija, znak ―+‖

U toku sabijanja radnog tela (kompresija) rad se troši, znak ―-‖

Prvi princip termodinamike Definicija Kada se obavlja mehaniĉki rad W, uvek se dobija i odreĊena koliĉina toplote Q* i obrnuto: Kada se ima koliĉina toplote Q, moţe da se dobije mehaniĉki rad W

Q W Prvi princip termodinamike je zakon o odrţanju energije za toplotu. (Prvi princip t.d. govori o procesima kojima se rad moţe dobiti iz toplote).

Prvi princip termodinamike Koliĉina toplote Q, unutrašnja energija U i rad W

QI , II  U  W

 Q  dU   W  Q  dU  pdV U procesu I - II pomeranja klipa radnom telu – gasu se dovodi koliĉina toplote Q. Dovedena koliĉina toplote Q troši se na promenu unutrašnje energije U radnog tela i na rad W. Toplota povećava unutrašanju energiju, a rad je smanjuje – troši toplotu: UI > UII Povećanje unutrašnje energije daje višu temperaturu gasa T i veći pritisak p.

Drugi princip termodinamike Definicija Toplota može da vrši rad samo ako sa tela više temperature prelazi na telo niže temperature. Za toplotni motor sa periodiĉnim radom moraju postojati (najmanje) dva izvora toplote, jedan sa višom (zagrejaĉ) i jedan sa niţom (hladnjak) temperaturom. Ne moţe se iskoristiti sva dovedena toplota, već se jedan deo neizbeţno mora predati hladnjaku, neiskorišćen za dobijanje rada. (Drugi princip t.d. govori o uslovima za dobijanje rada iz toplote).

Kako obuhvatiti površinu – dobiti rad u p,V dijagramu? • Koje krive stoje na raspolaganju za obuhvatanje površine? • Kako izabrati krive tako da ―okruţe‖ površinu i da okruţena površina bude što veća?

Promena stanja idealnog gasa* Opšta – politropska promena pV n  const const p  f V  n V  hiperbola  p = pritisak

V = zapremina n = izloţilac politrope Jednaĉina politrope daje krive kojima se moţe obuhvatiti površina,u radnom, p,V dijagramu. Dobija se integraljenjem iz diferencijalnog oblika prvog principa t.d. i Majerove jednaĉine cp = cv + R (za 1kg gasa)

Posebni sluĉajevi promene stanja idealnog gasa pV n  const   n  

const p  n  f (V ) V

izobara adijabata q  q  0

n0 p  const

c

0 dT c  c cp n p    1 cv  c cv

izoterma n 1 pV  const

 pV

q

 mRT  T  const 

  1, 4 najcesce 1 n  

izohora n  

toplota  mehanicki _ rad

pV  const  p V  p V  const V  const n

1n

0

Krive promene stanja p  f V 

const  const V0 const const V   const 1 0 p p  p

Nepovratni procesi

pV 1  mRT  const  T  const const p  izoterma V const p    adijabata V

Povratni procesi

const const  1,4 V1 V

Opšti kruţni proces Termodinamiĉki stepen korisnosti Radno telo se vraća u poĉetno stanje kad obavi rad – r.t. vrši kruţni ciklus Desnokretno*:

Q  Q0 Qk Wk   1 Q Q Q Qk  Wk  W  W0

t 

•

1 – 2 dovoĊenje toplote Q i obavljanje rada W (širenje)

•

2 – 1 odvoĊenje toplote Q0 i trošenje rada W0 (sabijanje)**

•

Adijabate tangiraju kruţni proces u taĉkama 1, 2 i u tim taĉkama se menja znak toplote i rada

Termodinamiĉki stepen korisnosti je odnos izmeĊu toplote pretvorene u rad i ukupno dovedene toplote u ciklusu. Uvek je manji od jedan.

Teorijski ciklusi* oto i dizel

oto 1 2 : Q  0 2  3 : V  const 3 4:Q  0 4  1: V  const

dizel 1 2 : Q  0 2  3 : p  const 3 4:Q  0 4  1: V  const

Teorijski ciklusi Lenoar*

1  2 : p  const

 usisavanje  2  3 : V  const 3 4:Q  0 4  5 : V  const 5  1: p  const

 izduvavanje 

Deo 1 – 2 ciklusa (usisavanje) ne zatvara nikakvu površinu na p,V dijagamu

Ciklus ĉetvorotaktnog motora sa i bez prigušenja

• Bez prigušenja (levo) nema pumpnog rada (rad utrošen na usisavanje sveţeg punjenja i na izduvavanje produkata sagorevanja • Sa prigušenjem (desno) postoji pumpni rad, krive su zaobljene

Dobijanje rada iz toplote u motoru SUS U reĉima

• Toplota, dobijena sagorevanjem goriva, daje porast unutrašnje energije radnog tela u radnom prostoru motora. Q  U I Temperatura i pritisak radnog tela rastu. • Pritisak radnog tela na gornju površinu klipa daje silu pritiska Fg gasa. • Sila pritiska gasa pomera klip i vrši rad širenjem radnog tela W  pdV • Ostatak toplote radnog tela posle širenja u vidu unutrašnje energije r.t. predaje se okolini U II  Q  pdV

• Dovedena toplota: Zagrejaĉ, izvor toplote • Odvedena toplota: Hladnjak, ponor toplote • Radno telo: Transformacija, od smeše goriva i vazduha do gasovitih produkata sagorevanja • Pomeranje klipa menja zapreminu radnog prostora VII  VI  V

Jednaĉina kontinuiteta za fluid u stacionarnom kretanju 

m  m  V ; _ m  kg  , v  m3  _ gustina V

m1  1V1  1 A1v1t : t  prirast _ mase _ na _ popr. pres.za _ vreme _ t protok _ mase _ fluida : m1 m2 m   kg   kg  m1  1 A1v1 ,  m2   2 A2v2 , _ m  3 m 2     t t s  s  m m  m1  m2  const  zakon _ o _ odrzanju _ mase m  1 A1v1   2 A2 v2  const

  const  1   2   , _ nestisljiv _ fluid m   Av  const V

m



, _ zapremina

V m m   V t   t  protok _ zapremine _ fluida,   const : 3  2 m m  V  A1v1  A2 v2  const , _ V  m  ,   ;( A1  A2  v1  v2 ) s  s  

Bernulijeva jednaĉina za fluid* u stacionarnom kretanju Zakon _ o _ odrzanju _ energije _ za _ fluid _ u _ stacionarnom _ toku 1 1 1v12  p1  1 gh1   2 v22  p2   2 gh2  const 2 2

1   2    const , _ nestisljiv _ fluid p 1 2 p1 1 v1   gh1  v22  2  gh2  const 2  2  1 2  v  p   gh  const 2 h1  h2  h, v1  v2  p1  p2  kg m 2   kg m   N  1 2  v  dinamicki _ pritisak ,  3 2    2 2    2   Pascal 2 m s  m s  m  N p  staticki _ pritisak ,  2   Pascal m   kg m   kg m   N  m    Pascal 3 2 2 2 2  m s   m s   m 

 gh  polozajni _ pritisak , 

Osnovni delovi motora • Pokretni delovi – – – – –

Klip sa prstenovima i osovinicom Klipnjaĉa sa leţištima Kolenasto vratilo (radilica) sa leţištima i zamajcem Bregasto vratilo (osovina) Ventili

• Nepokretni delovi – Glava motora – Blok sa cilindrima ili košuljicama – Kućište (karter)

Osnovni delovi motora

Motorni mehanizam Uloge elemenata • Klip, klipnjaĉa i kolenasto vratilo sa zamajcem ĉine motorni mehanizam – Klip pretvara pritisak gasa u silu i svojim kretanjem silu u mehaniĉki rad – Klipnjača pretvara pravolinijsko kretanje klipa u kruţno kretanje radilice i time silu u obrtni moment (ravno kretanje). Povezuje klip i radilicu. – Kolenasto vratilo predaje obrtni moment potrošaĉu (zamajac)

Mehanizam razvoda radnog tela • Bregasto vratilo Pokreće ventile za izmenu radnog tela. Radno telo kod usisavanja ĉine vazduh pomešan sa gorivom ili samo vazduh*, posle sagorevanja produkti sagorevanja. Za dva obrta radilice bregasto vratilo ĉetvorotaktnog motora napravi jedan obrt: Po jednom se otvori usisni i izduvni ventil. • Ventili Usisni i izduvni, zatvaraju i otvaraju prolaz radnom telu i upravljaju izmenom radnog tela. Gorivo se moţe dodavati karburatorom, ili ubrizgavati u usisni kolektor (single point) ili u usisni vod u blizinu usisnog ventila (multi point) ili direktno u cilindar

Radni prostor Glava motora, blok motora i klip ĉine radni prostor promenljive zapremine. Zapreminu rad.pr. menja klip svojim kretanjem u cilindru. U radnom prostoru se obavlja – radni proces uz dobijanje rada – izmena radne materije uz trošenje rada – Klip se kreće u bloku motora izmeĎu: SMT – Spoljne ―Mrtve‖ Taĉke i UMT – Unutrašnje ―Mrtve‖ Taĉke

SMT i UMT su krajnji poloţaji do kojih klip dolazi u kretanju*

Radna, Kompresiona i Ukupna zapremina • Radna zapremina Vh je zapremina odreĊena hodom h klipa i preĉnikom D cilindra popreĉnog preseka S= D2/4 Vh = hS

• Kompresiona zapremina Vc je zapremina radnog prostora koja preostaje po dolasku klipa u SMT. (To je komora za sagorevanje ĉija se zapremina raĉuna ili meri). Kompresija = sabijanje • Ukupna zapremina Vu je zbir radne i kompresione zapremine (klip u UMT).

Vu = Vh + Vc

Stepen kompresije Stepen kompresije  ili stepen sabijanja motora je odnos izmeĊu ukupne zapremine i kompresione zapremine cilidra. Viši stepeni kompresije daju više rada u pV dijagramu. Oto motori su ograniĉeni u stepenu kompresije fenomenom detonativnog sagorevanja. Dizel motori su ograniĉeni u stepenu kompresije porastom masa i sa porastom mase inercijalnim silama.

Vu Vh  Vc   Vc Vc

Moment i snaga motora Snaga motora je maksimalna efektivna snaga (zamajac) motora pri punom otvoru leptira Fizičko značenje snage jeste količina rada u jedinici vremena

a. a. b.

Statički moment T [Nm] je proizvod sile F [N] i kraka l [m] sile Dinamički moment se vezuje za snagu P [W] motora preko obrtanja  [rad/s] ili n [o/s] kolenastog vratila u vremenu t [s], polazeći od rada W [Nm=J] na putu s [m] sile F [N].

Snaga motora jednaka je proizvodu momenta motora i ugaone brzine  motora, iskazane u [rad/s], gde je (rad [m]), ili celih obrtaja 2n [o/s]. Snaga se ne može neposredno meriti jer je računska veličina po obrascu za snagu. Probni – radni stolovi za ―merenje snage‖: Kod nalaţenja krive snage P motora meri se moment T [Nm] (na koĉnici) i pripadajuća brzina n [o/min] motora. Potom se snaga izraĉunava za svaku ţeljenu taĉku krive.

T  F l b. W  F s W s  F   F  v  F  r  t t P  T

  2 n P  2 Tn

PoreĊenje oto i dizel motora po momentu i broju obrtaja kod dobijanja snage Dizel motori imaju veće momente od oto motora za jednake snage. Veći momenti dizel motora pri istim snagama ostvaruju se većim radnim zapreminama motora. Brzohodi dizel motori ne prelaze lako brzine od 4000 [o/min]. Oto motori lako dostiţu brzinu od 7200 [o/min]. Razlike u brzinama oto i dizel motora potiĉu od prirode ciklusa po kojima rade i razlike u masama. DovoĊenje toplote u dizel motoru je razvuĉeno po izobari, paljenje je spontano: Nema taĉnog trenutka upaljenja smeše kao kod oto motora varnicom, smeša je heterogena umesto homogena. Masa mašinskih elemenata zbog većih stepena kompresije ne dopušta velike brojeve obrtaja.

P  2 Tn PD  2 TD nD PO  2 TO nO PD  PO TD nD  TO nO TD  TO

nO nD

nO  nD  TD  TO

Elastiĉnost motora* Elastičnost motora je sposobnost motora da poveća obrtni moment pri smanjenju broja obrtaja kod porasta spoljnih otpora. Oto motori su prirodno elastiĉniji od dizel motora. Sa dizel motorim se ĉešće menjaju stepeni prenosa pri porastu opterećenja (brdo). Orijentacione vrednosti: Oto: ET = (1.25-1.45), En = (1.5-2.5) Dizel: ET = (1.05-1.25), En = (1.3-1.6) Odnosi su takvi da je elastiĉnost broj uvek veći od jedan. Manje elastiĉni motori moraju imati više stepeni prenosa od više elastiĉnih motora da bi bili dobro iskorišćeni.

Tmax ET  TPmax En 

nPmax nTmax

Dijagram elastiĉnosti motora*

Ubrzanje i maksimalna brzina vozila* Iz jednaĉina ravnoteţe sile Fo vuĉe vozila u kojoj uĉestvuju spoljni otpori i inercijalne sile, sledi: 1. Tokom ubrzanja, dv/dt > 0, što je veći moment motora ubrzanje vozila biće veće, jer preostaje više momenta (snage) motora za ubrzanje posle savlaĊivanja spoljnih otpora. 2. Kad ubrzanje prestane, dv/dt = 0, vozilo dostiţe maksimalnu brzinu, v = vmax = const, n = const. Sva snaga (moment) motora troši se na savlaĊivanje spoljnih otpora

Fo  Fdr  Fw  Fcl  FinTr  FinRot  Fout  Fin  Fo  KAv 2  Gf cos   G sin  

dv  0  Tin  0 dt P  2 nTout

v  vmax  const

Sa motorima malih radnih zapremina mogu se dobiti velike snage P i time velike maksimalne brzine, ako se brzo okreću. (Primer F1: n = 18 000 o/min, ograniĉeno)

G dv dv 1 J g dt dt rd2

P  Fo  v  Fo rd   T  2 n  2 Tout  Tin  a

n  const

Te t it rd

Dijagram sila otpora kretanju vozila*

Ubrzanje i maksimalna brzina vozila sa dizel i oto motorom P=2T·n (snaga) Za iste snage, posmatrajući formulu • Sa većim momentima T i manjim brojem n obrtaja dizel motori bolje ubrzavaju vozilo od oto motora, jer im preostaje više momenta posle savlaĊivanja spoljnih otpora. Imaju veće radne zapremine zbog manjeg broja n obrtaja. • Sa manjim momentima T većim brojem n obrtaja oto motori lošije ubrzavaju od dizel motora jer im preostaje manje momenta posle savlaĊivanja spoljnih otpora. Imaju manje radne zapremine zbog većeg broja n obrtaja. U praksi, zbog manjih brojeva obrtaja za iste maksimalne brzine vozila sa dizel motorima naĉelno moraju imati manje redukcije u transmisiji, (direktnije prenose), što smanjuje vuĉnu silu vozila. Osim toga, mase motora koje transliraju i rotiraju (klipovi, klipnjaĉe, kolenasto vratilo, zamajac) su veće nego kod oto motora pa su i njihove inercijalne sile veće, što umanjuje intenziet ubrzanja.* Ukupan rezultat je oko 200 ccm veća radna zapr. dizel od oto oko 1500 ccm, za iste snage. Deo popularnosti vozila sa oto motorom zasniva se upravo na ĉinjenici da razvijaju sliĉne maksimalne brzine kao dizel motori, a da imaju manje radne zapremine. Ipak, sa stanovišta bezbednosti sobraćaja znaĉajno je ubrzanje, a ne maksimalna brzina. Vozilo koje bolje ubrzava je bezbednije u preticanju. Drugi deo popularnosti leţi u tome što su oto motori ―ţivlji‖, više se okreću i lakše povećavaju broj obrtaja zbog manjih masa i precizniji su na pedali gasa od dizel motora. “Moment dobija trku, snaga prodaje vozilo” je izreka kojom se stavlja do znanja da su za takmiĉenja vaţna ubrzanja, a za kupce maksimalne brzine

Idealan i stvaran moment* Idealno iskorišćenje snage motora dobiće se ako je snaga maksimalna i konstantna u celom podruĉju broja obrtaja. (Hiperbola).

P  2 Tn  const

Kada je

const T n

P = Pmax = const sposobnost motora za transformaciju energije je najveća. Idealan i stvaran moment motora se veoma razlikuju – transformacija energije toplotnih klipnih motora je nepovoljna.

Broj obrtaja motora pri maksimalnom momentu i maksimalnoj snazi a. b.

Prirast momenta pri maksimalnoj snazi je negativan*. Prirast snage pri maksimalnom momentu je pozitivan*.

Sa porastom broja obrtaja prvo moment dostiže maksimum, a posle toga snaga dostiže maksimum. U poĉetku sa porastom broja obrtaja rastu i moment i snaga. U jednom podruĉju broja obrtaja snaga raste iako moment opada. Na kraju opadaju i moment i snaga i stiĉu se u nuli. Do pada momenta sa povećanjem brzine motora na višim brojevima obrtaja dolazi zbog povećanja otpora strujanja na strani usisa. Opada zapreminska efikasnost. Potrebno je da usisni ventili budu duţe otvoreni. Istovremeno rastu i unutrašnji otpori u motoru - trenje. Na kraju sva snaga preostala posle savlaĊivanja spoljnih otpora odlazi na savlaĊivanje unutrašnjih otpora, a vozilo ne ubrzava. Moţe se napraviti šema razvoda ventila i za vrlo visoke brojeve obrtaja tako da ventili budu duţe otvoreni (takmiĉenja). MeĊutim, tada će motor biti neekonomiĉan na srednjim brzinama i imati nestabilan rad na manjim brzinama zbog velikog preklapanja ventila. (Rešenje: VVT).

a. P  2 T  n dP dT  n T  0 dn dn dT T  0 dn n b. T dT dn dP dn

P 2 n 1 dP 1  P 2 0 n dn n P  0 n

Tipiĉne krive momenta i snage oto motora sa prirodnim usisavanjem Prirast momenta i snage*

Dijagram stepena prenosa menjaĉkog prenosnika prema idealom momentu*

Efikasnost oto motora •

Toplotna efikasnost – Drugi princip termodinamike – ne moţe se iskoristiti sva dovedena toplota za dobijanje rada: Topli izduvni gasovi odlaze u atmosferu. Nepoklapanje idealnog i stvarnog ciklusa, jer se ne mogu ostvariti uslovi za odvijanje idealnog ciklusa: Brzina dovoĊenja i odvoĊenja toplote je konaĉna (± Q/t po >pa • Desno: Šema razvoda oto i dizel motora Uglovi otvaranja i zatvaranja usisnih i izduvnih ventila sa preklapanjem ventila

Punjenje cilindra oto i dizel motora* Punjenje cilindra ĉine: 1. Vazduh 2. Gorivo 3. Pare goriva i vazduha (3) 4. Zaostali izduvni gasovi 5. Recirkulisani izduvni gasovi (3) Dizel motor nema uvoĊenje para goriva i vazduha –―evap system‖ zbog manje isparljivosti goriva i prirode ciklusasamopaljenja. Ubacivanje para dizel goriva u toku usisavanja imalo bi za posledicu upaljenje goriva u taktu kompresije, u trenutku dostizanja temperature samopaljenja goriva pre paljenja ubrizganog goriva. Rezultat: Gubitak snage tokom kompresije uz mehaniĉko i termiĉko naprezanje motora.

Punjenje cilindra – oto motor •

•

Recirkulacija izduvnih gasova povratkom kroz poseban vod – spoljna (eksterna) na usis motora se vrši da bi se za vreme rada sa siromašnom smešom snizila najviša temperatura sagorevanja. Visoka temperatura sagorevanja (>2000K) produkuje azotne okside NOx.. Koliĉina izduvnih gasova koja se ubacuje u cilindar kontroliše se EGR ventilom kojim upravlja raĉunar. Na malim brojevima obrtaja ( 1,  < 1,

―teorijska‖ smeša, Lstv = Lsteh, prema zakonima hemije ―siromašna‖ smeša, Lstv > Lsteh, granica upaljenja varnicom,  = 1,2 – 1,4 ―bogata‖ smeša, Lstv < Lsteh, granica upaljenja varnicom  = 0,6 – 0,8

•

Siromašna smeša ima više vazduha nego što je to potrebno za potpuno sagorevanje goriva u smeši • Bogata smeša ima manje vazduha nego što je potrebno za za potpuno sagorevanje goriva u smeši Sastav smeše veoma utiče na proces sagorevanja i otrovnost izduvnih gasova:  - lambda sonda-kiseoniĉka sonda, meri koliĉinu kiseonika u izduvnim gasovima* Oto i dizel motori koriste lambda davaĉe u zatvorenoj petlji automatskog upravljanja za korekciju sastava smeše u cilju smanjenja otrovnih komponenti u izduvnim gasovima i njihove neutralizacije.

Zavisnost momenta od sastava smeše oto motora Sastav smeše dizel motora • Maksimalan moment oto motora dobija se sa bogatom smešom, a ne sa stehiometrijskom. Razlog tome je što bogata smeša najbrţe sagoreva, pa je dovoĊenje toplote najbliţe izohorskom. • Sastav smeše dizel motora je heterogen. U nekom trenutku ubrizgavanja (pre upaljenja) u samom mlazu (―oko‖ kapljice) je ĉisto gorivo, pa je =0. U blizini zidova je ĉist vazduh, pa . Koliĉina vazduha u heterogenoj smeši raste od mlaza ka zidovima cilindra.

Smeša goriva i vazduha i naĉin paljenja smeše oto i dizel motora • Kod dizel motora je smeša u cilindru izrazito nehomogena, a sastav smeše se dinamiĉki menja, jer se gorivo ubrizgava tokom ekspanzije. (za p=const). • Kod oto motora se teţi homogenoj smeši u cilindru motora. Smeša se priprema u taktu usisavanja. Izuzetak je slojevito punjenje kod kog je smeša ―u proseku‖ sa negorivim slojem izrazito nehomogena i vrlo siromašna. Ipak, u gorivom sloju se teţi homogenoj smeši.

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

Kod oto motora sastav smeše odreĎuje se “kvalitativnim” dodavanem goriva: Koliĉina goriva u smeši menja se u vrlo uskim granicama, definisanim peko koeficijenta  viška vazduha. Količina goriva po ciklusu zavisi od količine vazduha. Punjenje motora se odreĎuje količinom usisanog vazduha, smanjem u odnosu na maksimalnu količinu vazduha, uz pripadajuću količinu goriva. Smanjenje punjenja se ostvaruje prigušivanjem preko leptira, ĉime se smanjuje gustina vazduha – vazduh se razreĊuje. Posledica razreĊivanja vazduha: Gubitak kompresije i time rada. Maksimalni momenti se dobijaju pri najvećem otvoru leptira (WOT), kada nema prigušenja. • Kod dizel motora sastav smeše se menja “kvantitativnim” dodavanjem goriva: Koliĉina goriva u smeši menja se u vrlo širokim granicama. Dizel motori rade sa velikim viškovima vazduha , iako se upravljaju preko koeficijenta  (zbog zakona ubrizgavanja po fazama sagor.), jer se uvek usisava maksimalna koliĉina vazduha. Količina goriva po ciklusu ne zavisi od količine vazduha.Nema gubitka kompresije. Punjenje motora se odreĎuje promenom količine ubrizganog goriva. Maksimalni momenti se dobijaju pri najvećem punjenju gorivom. Naĉin punjenja oto i dizel motora posledica je razlike ciklusa po kojima rade i naĉina paljenja i sagorevanja smeše. Rad oto motora je znatno više zavisan od sastava smeše nego rad dizel motora s obzirom na vrlo uske granice sastava smeše (izduv). Toplotna efikasnost ciklusa** oto motora je teorijski bolja nego dizel motora. Praktično, • Veliki viškovi vazduha dizel motora daju bolje toplotno izolovan gorivi sloj i manje toplotne gubitke na razmeni toplote smeše sa zidovima cilindra, pa je iskorišćenje toplote bolje. (Slojevito punjenje oto motora ima za ideju toplotnu izolaciju gorivog sl.) • Veći stepeni kompresije od oto motora daju više rada (Lenoar). Mogući su jer nema opasnosti od detonativnog sagorevanja. (Naprotiv, samozapalj. goriva je poţeljno). • Nema prigušnog leptira na usisu, pa je pumpni rad manji, nastaje samo na ventilima.

Sagorevanje u oto motoru: Formiranje i kretanje plamena •

• • •

Preskakanjem varnice formira se mala sfera plamena (jezgro plamena) oko varnice – elektroda svećice Sagorevanje jezgra stvara prostor – šupljinu, popunjenu toplim produktima sagorevanja, odakle se toplota prenosi na sloj smeše oko jezgra plamena, oblika sferne ljuske. Sferna ljuska se pali, sagoreva i prenosi toplotu na okruţujući sferni sloj. Front plamena se pokreće. Front plamena napreduje kroz komoru – ljuska raste u preĉniku i širi se ka periferiji prostora za sagorevanje sve dok ne sagori sva smeša.

Front plamena je tanka sferna ljuska u kojoj se odvijaju hemijske reakcije oksidacije goriva. Front razdvaja sagorelu od nesagorele smeše. Iza fronta plamena temperatura je viša, time i pritisak, nego ispred fronta plamena u smeru njegovog kretanja. Gasovi iza fronta plamena komprimuju nesagorelu smešu. Optimalno sagorevanje treba da traje kratko neposredno iza SMT – pri najmanjoj zapremini, što odgovara uslovu V=const za dovoĊenje toplote oto ciklusa. Pri najmanjoj zapremini gas je najviše sabijen, pa je temperatura gasa najviša. Smeša se najlakše pali i sagorevanje je najbrţe pa traje najkraće. UvoĊenje dve svećice ima za cilj da se oforme dva fronta plamena. (Napr. ―Alfa Romeo twin spark‖). Dva fronta plamena skraćuju vreme sagorevanja zbog kretanja sferne ljuske iz dve taĉke. Skraćenje vremena sagorevanja pomera krivu sagorevanja – dovoĊenja toplote, bliţe izohori v=const. Ciklus se pribliţava idealnom i dobija se više površine – rada u pV dijagramu*. (Konstruktivne teškoće oko dve svećice).

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

Brzina sagorevanja smeše

je najveća u oblasti bogate smeše  = 0.9 – 1.0 •

Granice upaljivosti smeše: Gornja granica upaljivosti  = 1,2 – 1,4

(siromašna smeša)

Donja granica upaljivosti  = 0,6 – 0,8

(bogata smeša)

Izvan granica upaljivosti nije moguće upaliti smešu varnicom Kod slojevitog punjenja koristi se posebna tehnika za paljenje vrlo siromašne smeše ―proseĉno‖

Faze sagorevana u oto motoru I faza: Period pritajenog sagorevanja Od preskakanja varnice izmeĊu elektroda svećice do porasta pritiska iznad linije sabijanja. (Pre SMT) Faza je vezana za stvaranje jezgra plamena, koje ima dovoljno toplote da upali ostatak smeše, a premalo toplote da pritisak poraste tako da oduzima rad u toku kompresije. II faza: Period glavnog sagorevanja Od porasta pritiska iznad linije sabijanja do postizanja maksimalnog pritiska u cilindru i manjim delom pri širenju (u smislu stvarnog-realnog ciklusa, kod konaĉne brzine dovoĊenja toplote). (što više odmah posle SMT). III faza: Period dogorevanja Sagorevaju ostaci smeše do kojih front plamena najkasnije stiţe, uz zidove cilindra, ukljuĉujući i prostor izmeĊu cilindra i klipa iznad kompresionog prstena (―procep‖). (Posle SMT, na liniji ekspanzije). Smeša uz zidove se hladi od zidova, temperatura se sniţava, pa se smeša teţe pali i sporije sagoreva. Plamen-koliĉina dovedene toplote se smanjuje. Posledica: Sagorevanje se premešta sa V=const na krivu širenja – ekspanziju. Kriva ciklusa u pV dijagramu se zaobljava izmeĊu V=const i Q=0. (Nepoţeljno jer odstupa od površine u p,V dijagramu idealnog oto ciklusa, tako što je smanjuje. To znaĉi manje rada iz iste toplote, ali neizbeţno u homogenom radu. Slojeviti rad nema izraţen ovaj problem).

Indikatorski dijagram toka pritiska i faza sagorevanja u oto motoru* Indikatorski ili indicirani dijagram je dijagram stvarne promene pritiska u cilindru motora, dobijen snimanjem pritiska u radu motora. Indicirani pritisak pi je pritisak u cilindru motora. To je zamišljeni konstantan pritisak koji daje isti rad kao i stvaran promenljiv pritisak tokom ciklusa. Wi=piVh (pravougaonik, pi visina pravougaonika). Efektivan pritisak je pritisak na raspolaganju posle savladavanja unutrašnjih otpora pm motora. (Na zamajcu). pe=pi-pm Indicirani i efektivan pritisak svojom vrednošću karakterišu opterećenje (load) motora. Efektivna snaga Pe je snaga na zamajcu (kolenastom vratilu) motora. To je snaga koja preostaje za korišćenje posle potrošnje snage za savladavanje unutrašnjih otpora u motoru.

Uticaj ugla predpaljenja na sagorevanje u oto motoru • Rano paljenje – Daje veliki porast pritiska pre SMT zbog preranog dovoĊenja toplote. – Rad se troši na sabijanje povećanog pritiska pre SMT. U p,V dijagramu površina koja predstavlja rad premešta se na kompresionu stranu, gde se rad troši, i tako smanjuje na ekspanzionoj strani, gde se rad dobija. – Porast pritiska prilikom sagorevanja je prevelik, stvara visoke temperature sagorevanja, raste mogućnost detonativnog sagorevanja. Kod detonativnog sagorevanja rad motora je ―tvrd‖, snaga opada, potrošnja goriva raste, motor se mehaniĉki i termiĉki napreţe, naroĉito klip motornog mehanizma.

• Kasno paljenje – Daje nedovoljan porast pritiska posle SMT zbog prekasnog dovoĊenja toplote. Površina koja predstavlja rad se smanjuje sa gornje strane i pomera u desno. Produţava se glavno sagorevanje koje se sa V=const prenosi na krivu širenja. U p,V dijagramu oto ciklusa, dobija se manje rada iz iste toplote. – Ostaje više toplote u gasu u vidu unutrašnje energije (entalpija). Temperatura gasa je viša na izduvu – više toplote se gubi sa izlaskom gasa. Snaga opada, za isti (zahtevani) moment potrošnja goriva raste. – Nema opasnosti od detonativnog sagorevanja jer su pritisci u cilidru niţi zbog sagorevanja tokom širenja pa je temperatura smeše ispod temperature samopaljenja.

Dijagram uticaja ugla predpaljenja na tok pritiska kod sagorevanja u oto motoru*

Neţeljene pojave kod sagorevanja u oto motoru: Disocijacija i nekontrolisano sagorevanje •

Disocijacija je raspad stabilnih produkata potpunog sagorevanja, ugljen dioksida i vodene pare, na produkte nepotpunog sagorevanja, ugljen monoksid i vodonik. CO2+H2OCO+H2+O2 Raspad se dogaĊa na visokoj temperaturi (>2200 K) zbog koje, inaĉe, stabilni produkti sagorevanja postaju nestabilni. Disocijacija oduzima deo toplote koja bi se iskoristila za rad i stvara otrovne sastojke u sagorelim gasovima. • Detonativno sagorevanje je nekontrolisano eksplozivno – zapreminsko sagorevanje u ostatku smeše ispred dolazećeg fronta plamena, kad je temperatura u radnom prostoru iznad temperature samopaljenja smeše. • Površinsko sagorevanje je nekontrolisano sagorevanje smeše upaljenjem toplotom u blizini površina koje su akumilirale toplotu usled nedovoljnog hlaĊenja: Svećica, klip. (―Dizelovanje‖). Front plamena dobija oblik tople površine koja pali smešu bez varnice. (Talozi oteţavaju hlaĊenje klipa i/ili svećice). Topla mesta mogu da upale smešu pre preskakanja varnice kod sabijanja (prerano paljenje) i time da izazovu detonaciju. Tako površinsko sagorevanje izaziva zapreminsko detonativno sagorevanje. Detonativno i površinsko sagorevanje moţe nastati pri svakoj brzini motora. Karakteristiĉan metalni zvuk kod detonativnog sagorevanja se ĉuje na manjim brojevima obrtaja, a ne ĉuje se na višim brojevima obrtaja, jer je buka motora tada dovoljno velika da prikriva zvuk detonacije.

Detonativno sagorevanje, nastanak i osobine (Oto motor) Iza fronta plamena pritisak raste zbog toplote dovedene sagorevanjem. Pritisak se prenosi na prostor ispred fronta plamena, sabijajući ostatak nesagorele smeše. Delovi sabijenog ostatka smeše postiţu temperaturu samopaljenja goriva i sagorevaju nekontrolisano (sve posle preskakanja varnice(!)). Nagli porast pritiska stvara poremećajni talas koji se prenosi ka zidovima cilindra, klipa i prostora za sagorevanje u glavi motora. Sledi odbijanje por. talasa pritiska od graniĉnih površina i pulsiranje talasa po radnom prostoru, što stvara karakteristiĉan metalni zvuk (―pinging noise‖). Ĉesto se pogrešno smatra da ovaj zvuk dolazi od udara ventila o sedište zbog metalne boje detonativnog zvuka. MeĊutim, visok pritisak u cilindru, koji predstavlja preduslov za visoku temperaturu smeše, ne moţe se ostvariti ako je neki ventil otvoren. Kroz otvoren ventil gas bi izlazio ili u usisni ili u izduvni vod, a pritisak se sniţavao, time i temperatura smeše, nasuprot uslovima detonacije. Brzina prostiranja fronta plamena je pri normalnom sagorevanju 20 – 30 m/s. Brzina prostiranja fronta plamena pri detonativnom sagorevanju je 10 – 100 puta veća nego pri normalnom sagorevanju. Detonativno sagorevanje se odvija po celoj zapremini nesagorelog dela smeše razvijajući se iz više centara u kojima se smeša sama pali. Plamen se zapreminski širi znatno brže nego površinski, kako se, inače, širi front plamena u obliku sferne ljuske. Brzo zapreminsko širenje plamena ima karakter detonacije.*

Nastanak detonacije i prenošenje talasa pritiska* • Centri paljenja po celoj zapremini ostatka nesagorele smeše • Pritisak fronta plamena na ostatak nesagorele smeše • Visoka temperatura i pritisak u cilindru motora su preduslovi za detonativno sagorevanje. (Nastaju pri velikom opterećenju motora)

Radni uslovi motora za nastanak detonativnog sagorevanja u oto motoru i naĉini spreĉavanja detonacija Radni uslovi za nastanak detonativnog sagorevanja: •

• • •

Opterećenje motora (load) je veliko: Veliki moment zahteva veće punjenje. Više toplote povišava temperaturu sagorevanja. Opterećenje motora se meri efektivnim pritiskom pe ili odnosom L=pe/pemax srednjeg efektivnog pritiska i maksimalnog efektivnog pritiska koji motor moţe da ostvari. Broj obrtaja motora je najĉešće mali pa ima više vremena za porast pritiska i temperature–stvaranje uslova za samopaljenje i detonaciju ostatka nesagorele smeš. Termičko naprezanje motora, ugrejan iznad normalne radne temperature. Poĉetna temperatura sabijanja smeše je viša, time je i krajnja temperatura smeše viša i bliţa samopaljenju. (pV^ϰ=RT). Slojevito punjenje je zbog male koliĉine smeše u gorivom sloju, time i male zapremine kroz koju se prostire front plamena i veoma siromašne smeše u ostatku zapremine cilindra (neupaljiva smeša), vrlo otporno na detonativno sagorevanje.

Upravljanje paljenjem •

Prerano paljenje povišava pr.i temperaturu u taktu sabijanja. To izaziva visok porast pritiska pre SMT, u vreme kada još treba da traje pritajeno sagorevanje. Temperatura smeše raste mnogo pre SMT, sa njom i pritisak, sabijajući ostatak smeše.

Otpornost goriva na detonaciju •

Nedovoljna oktanska vrednost goriva povećava sklonost ka samopaljenju (ON, RON)

Održavanje motora •

Povećan stepen kompresije usled ravnanja glave motora ili tanke zaptivke glave motora smanjuje kompresioni prostor. Raste stepen kompresije, sa njim temperature pri sabijanju i stvaraju se uslovi za detonativno sagorevanje. Detonacija nastaje zajedničkim delovanjem faktora: Motor – način rada – gorivo – vozilo (vozač).

Uticaj detonativnog sagorevanja na motor Indikatorski dijagram je ―testerast‖.

Talasi pritiska se kreću od mesta detonacije ka zidovima radnog prostora, (mestu merenja), odbijaju od njih više puta, slaţu (interferencija), i pulsiraju. Kod preranog ugla paljenja detonacija nastaje ranije i zahvata više nesagorele smeše, pa je jaĉa.

Mehaničko naprezanje Gasna sila klipa zbog naglog oslobaĊanja toplote dostiţe veće vrednosti od onih za koje je motor projektovan, odnosno konstruisan. Gasna sila direktno prati pulsacije pritiska, pulsira i sama, delujući uĉestanim udarima na klip. Udari gasne sile razbijaju sloj ulja izmeĊu površina u relativnom kretanju: Cilindar i klip, klip i osovinica klipa. Podmazivanje slabi, raste trenje, grejanje usled trenja, raste habanje.

Termičko naprezanje Gasna korozija nastaje usled vrelih gasova kada detonacija traje duţe tokom rada motora. Molekuli gasa se jedine sa molekulima metala (nagrizanje, naroĉito klipa). Klip – ―kruna‖, se termiĉki napreţe, metal klipa topi i klip deformiše.

Indikatorski dijagram slabe i jake detonacije oto motora

Brzina prostiranja talasa promene pritiska je mnogo veća od brzine kretanja molekula gasa i jednaka je brzina zvuka za datu sredinu. Talasi promene pritiska se višestruko odbijaju o zidove cilindra radnog prostora, smanjuju i gube na kraju, kad se radni prostor dovoljno poveća (pada pritisak u cilindru), a energija poremećajnih talasa oslabi.

Izgled klipova oštećenih detonativnim sagorevanjem

Detonativno sagorevanje i direktno ubrizgavanje •

Ubrizgavanje goriva direktno u cilindar kod homogenog punjenja Sniţava temperaturu vazduha u cilindru, jer se toplota vazduha troši na isparavanje goriva. Time se sniţava temperatura smeše (ukupno). Niţe poĉetne temperature u cilindru daju niţe krajnje temperature od onih kod ubrizgavanja u usisni kolektor. Indirektno ubrizgavanje: Toplota zidova usisnog kolektora predata gorivu pre ulaska u cilindar ubrzava isparavanje. Smeša se greje već pre ulaska u cilindar, više krajnje temperature sabijanja. • Ubrizgavanje goriva direktno u cilindar kod slojevitog punjenja Samo oko elektroda svećice postoji prostorno ograniĉena smeša koja moţe da sagori. Temperatura se sniţava ubrizgavanjem na kraju kompresije. Oko ―oblaka‖ smeše u cilindru je vazduh i/ili izduvni gasovi koji ne gore. (Granica izmeĊu gorivog sloja i ostatka smeše nije oštra). Koliĉina ubrizganog goriva je mala, motor ne razvija veliki moment sa malo goriva i termiĉki je nenapregnut. Ekstremno siromašna smeša u ostatku cilindra izvan gorivog sloja ne moţe se upaliti. Motori sa direktnim ubrizgavanjem goriva u cilindar, posebno u slojevitom radu, su manje podložni detonativnom sagorevanju, nego motori sa ubrizgavanjem u usisni kolektor u blizini usisinog ventila. Zbog toga se mogu konstruisati sa većim stepenima kompresije. Direktno ubrizgavanje ima prednost nad indirektnim ubrizgavanjem u smislu otpornosti konstrukcije motora na detonaciju.

Mere za spreĉavanje detonativnog sagorevanja •

Motori koji nemaju kontrolu detonativnog sagorevanja moraju biti na dovoljnom ―udaljenju‖ sa uglom paljenja od onog koji moţe da izazove detonativno sagorevanje, 5 – 8 stepeni iza SMT za glavno sagorevanje. Cena ove mere je: – manje rada u p,V dijagramu, zbog pomeranja krive v=const na stranu širenja – nemogućnost da se izbegne detonativno sagorevanje za sve uslove rada (Ugao paljenja je ―optimizovan‖).

•

•

Ranije ili kasnije dolazi do detonacije. Jedina trenutna mogućnost neupravljanog motora je oduzimanje ―gasa‖ (vozaĉ) u cilju smanjenja opterećenja motora. (Ev. niţi stepen prenosa). Motori koji imaju kontrolu detonativnog sagorevanja mogu da ostvare povoljniji poloţaj krivih u radnom p,V dijagramu, preko manjih – najboljih uglova predpaljenja, tako da maksimalan pritisak u cilindru bude što bliţe po prolasku klipa kroz SMT. Kod detonativnog sagorevanja, vraća se paljenje na kasnije (ECU) za cilindar u kom je nastala detonacija*. Po prestanku detonacija, vraća se paljenje postepeno ka nominalnim vrednostima. Svaki cilindar moţe imati senzor za detonaciju, ali se i sa jednim davaĉem-senzorom moţe pratiti proces sagorevanja po pojedinim cilindrima tokom radnog takta. Upravljanje paljenjem se moţe ostvariti i za motore sa indirektnim ubrizgavanjem (u usisni vod pre usisnog ventila) i za motore sa direktnim ubrizgavanjem. Uz senzor detonacije** (knock) moţe postojati i senzor za otklanjanje pogrešnog tumaĉenja detonacije, usled neravnina na putu. (U šasiji).

Prednosti kontrolisanja detonativnog sagorevanja Ugao paljenja kontroliše se i menja – upravlja u toku rada motora (ECU). • Poboljšanje termodinamičkog stepena korisnosti motora Vreme paljenja se podešava tako da se dobije najviše rada u p,V dijagramu. Poloţaj krivih ciklusa vezano za dovoĊenje toplote u procesu sagorevanja i vršni pritisak u taktu širenja, je bolji. (Nema bezbednosnih granica 5 – 8 stepeni za izbegavanje detonacije, koje nuţno poloţaj krivih u p,V dijagramu pomeraju na stranu širenja, tako da se dobije manje rada.) • Omogućavanje rada motora sa većim stepenima sabijanja zbog taĉnije odreĊenog trenutka paljenja bez detonacije. Dobijanje više rada po ciklusu zbog povećanja stepena kompresije (konstruktivno). Dobijanje većeg momenta. • Manja osetljivost motora na promenu otpornosti goriva prema detonativnom sagorevanju – kvalitet goriva u eksploataciji. Manje snažne detonacije sa kraćim trajanjem ne oštećuju motor koji se konstruiše sa trajnom dinamiĉkom ĉvrstoćom takvom da ih moţe podneti. Sa druge strane, temperature kod detonativnog sagorevanja su dovoljno visoke da razlažu taloge od ulja i goriva na površinama prostora sagorevanja, (klip, glava) koji se, onda, izbacuju kroz izduvni sistem napolje iz motora. Odstranjivanje taloga umanjuje mogućnost od površinskog nekontrolisanog sagorevanja jer talozi stvaraju topla mesta.

Ubrizgavanje goriva i sagorevanje u dizel motoru

Ubrizgavanje goriva, paljenje smeše i sagorevanje • Gorivo se ubrizgava direktno u cilindar • Smeša je heterogena: Od =0, ĉisto gorivo u mlazu, do = izvan mlaza • Punjenje cilindra smešom se ostvaruje samo koliĉinom goriva (vazduh se ne razreĊuje kao kod oto motora) • Koliĉina vazduha ograniĉava maksimalnu koliĉinu goriva, time moment i snagu. Previše goriva stvara crni dim u izduvu, koji nastaje usled nedostatka kiseonika za sagorevanje. (Providnost-opaque) • Upaljenje smeše je pod dejstvom toplote iz vazduha, sabijenom na visoki pritisak. Temperatura vazduha u cilindru je iznad temperature paljenja smeše. Temperatura na kraju takta kompresije je t = 700-900°C. Pritisak (kompresija): P = 30-55 bar za atmosferske dizel motore p = 80-110 bar za nadpunjene dizel motore.

Ubrizgavanje goriva, paljenje smeše i sagorevanje Pritisak u cilindru naglo raste za vreme paljenja i potom sagorevanja (druga faza), usled dovedene toplote, pa dizel motor ima karakteristiĉan ―tvrd‖ rad. Veliĉina porasta pritiska se kontroliše predubrizgavanjem, a time tvrd rad i ekonomiĉnost motora. Sile koje napreţu motor ograniĉavaju stepen kompresije na =16-18 preko ĉvrstoće, jer sa njom raste masa konstrukcije. (Gasna sila, inercijalne sile i momenti). Pritisak ubrizgavanja goriva se kreće od 200-2200 bar u toku rada motora. Visoki pritisci omogućavaju veliku kinetiĉku energiju ubrizgavanog mlaza i mali preĉnik kapljica goriva, time dobro formiranje smeše. Sa brzinom kapljica raste trenje o vazduh i poboljšava se isparavanje, a smanjenje veliĉine kapljica (―atomizacija‖) znaĉi povećanje površine isparavanja*. Brizgaljke imaju više otvora za mlaz goriva. Potreba za vrtloženjem vazduha u cilindru za homogenizaciju smeše se umanjuje sa porastom pritiska ubrizgavanja (novi motori imaju sve veće pritiske ubrizgavanja), što omogućava jednostavniju konstrukciju usisnog voda i prostora za sagorevanje. Istovremeno, domet (penetracija) kapljica je manji zbog njihove manje mase**, pa je moguće ostvariti ubrizgavanje i kod motora sa manjim zapreminama bez kontakta kapljica sa zidovima prostora za sagorevanje. Otvori brizgaljke imaju razliĉita usmerenja ka prostoru za sagorevanje, da bi homogenizacija smeše bila što bolja.

Indikatorski dijagram za konvencionalne sisteme ubrizgavanja •

Zaostajanje ubrizgavanja (injection lag): Vreme koje protekne od poĉetka isporuke goriva pod visokim pritiskom kroz vodove do poĉetka ubrizgavanja goriva. Talas (poremećajni) porasta pritiska putuje kroz dizel gorivo brzinom od oko 1500 m/s (brzina zvuka u datoj sredini). Vodovi visokog pritiska treba da budu što kraći, a njihov materijal što krući, kako bi se maksimalno smanjilo zaostajanje ubrizgavanja.

•

Zaostajanje paljenja (ignition lag): Vreme koje protekne od poĉetka ubrizgavanja do poĉetka sagorevanja. Za to vreme gorivo isparava i meša se sa vazduhom. Isparavanje je karakteristika goriva i ne zavisi od brzine motora. Zato se sa povećanjem brzine motora pomera ubrizgavanje na ranije-povećava predubrizgavanje. (Analogno oto motoru).

Na zaostajanje paljenja tokom ubrizgavanja utiĉu: – – – –

Upaljivost goriva (cetanski broj) Temperatura vazduha (u cilindru) Stepen kompresije (konstrukcija) Naĉin ubrizgavanja (oblik krive)

Indikatorski dijagram za konvencionalne sisteme ubrizgavanja

Maksimalan i minimalan broj obrtaja motora Dizel motor uvek ima dovoljno vazduha, pa moment zavisi od koliĉine ubrizganog goriva. Maksimalan broj obrtaja motora se ograničava. Ako je spoljno opterećenje manje od razvijene snage motora, broj obrtaja raste. Zbog velikih stepena sabijanja elementi motora su masivni i zato imaju znatne inercijalne sile. Ne sme se dopustiti da broj obrtaja dostigne vrednost pri kojoj će se motor ―razleteti‖ usled inercijalnih sila (self-destruction). Minimalan broj obrtaja motora se reguliše. Rad na praznom hodu. Regulisanje maksimalne i minimalne brzine motora je dvostepena regulacija. (Trostepena, ili svereţimska regulacija se primenjuje za dizel motore koji pokreću radne mašine. Trostepenom regulacijom se stabilizuje još i rad motora na zadatom reţimu, na broju obtaja izmeĊu minimalnog i maksimalnog). Okretanje motora većom brzinom u odnosu na punjenje (overrun) Pri voţnji na nizbrdicama i koĉenju motorom preko transmisije motor se okreće spoljnom silom-momentom. Tada se ne dodaje gorivo. Vaţi i za oto motore.

M – postupak ubrizgavanja U ranim fazama direktnog ubrizgavanja razvijen je M – postupak*. Dok su se drugi konstruktori naprezali da izbegnu kontakt mlaza goriva sa zidom, Meurer je uradio upravo suprotno: Ubrizgavao je gorivo na zid prostora za sagorevanje, taĉnije udubljenje u klipu. (Jedan otvor mlaza brizgaljke). Na taj naĉin gorivo je isparavalo sporije, koristeći i toplotu klipa za isparavanje (pored toplote vazduha). Isparavanje teĉne faze goriva sa klipa je usporilo proces sagorevanja i produţilo ga i tako snizilo nagli porast pritiska, koji kod direktnog ubrizgavanja proizvodi tvrd rad motora. Istovremeno, isparavajući, gorivo je hladilo klip i bitno smanjivalo termiĉko naprezanje klipa. Zbog smanjenih skokova pritiska rad motora je bio vrlo mek, a zbog dobre homogenosti smeše (―slojevito isparavanje‖) dobijen je i vrlo miran rad. Nedostatak: Oduzimanje toplote iz cilindra za isparavanje goriva kroz zid klipa i njeno odbacivanje kroz sistem za hlaĊenje. Ova odbaĉena toplota bi drukĉije uĉestvovala u mehaniĉkom radu. Zbog odvoĊenja toplote za isparavanje goriva toplotna efikasnost motora je smanjena i time povećana potrošnja goriva, odnosno smanjena ekonomiĉnost motora. Motori sa M-postupkom su postepeno izašli iz eksploatacije i danas ih više nema.

Proces sagorevanja, buka, ekonomiĉnost Proces sagorevanja u dizel motoru veoma zavisi od pripreme smeše. Pored performansi, potrošnje goriva i sastava izduvnih gasova, za razliku od oto motora, priprema smeše utiĉe i na bučnost motora. Buka nije problem sama za sebe: Nastaje usled naglih porasta pritisaka i svedoči o dinamičkom opterećenju motora. Delovi motora moraju biti dimenzionisani tako da mogu podneti opterećenja od visokih pritisaka i od naglih promena pritiska (II faza sagorevanja).

Emisija štetnih izduvnih gasova i intenzitet buke umanjuju se • Konstrukcijom motora Usisni vodovi i prostor za sagorevanje • Načinom ubrizgavanja goriva Kriva ubrizgavanja odreĊuje poĉetak, kraj i broj dogaĊaja promene pritiska, kao pritisak ubrizgavanja (ordinata) prema uglu kolenastog vratila (apscisa). Savremeni dizel motori rade sa visokim pritiscima ubrizgavanja, pojedinaĉno podešenim za svaki cilindar. Razlike u punjenju u dopuštenim granicama, daju isti moment po svakom cilindru, odnosno ravnomeran moment motora. Upravljani su preko EDC (Electronic Diesel Control).

Zajedniĉka magistrala • Stvaranje i održavanje pritiska ubrizgavanja i snabdevanje gorivom pod visokim pritiskom se funkcionalno razdvaja od sinhronizacije sa okretanjem kolenastog vratila zajedniĉkom magistralom (common rail)*, koncepcijom sa akumulatorom za gorivo pod pritiskom. Koncepcija zajedniĉke magistrale omogućava: • Slobodno oblikovanje krive ubrizgavanja Razdvajanje ubrizgavanja od ostvarivanja pritiska ubrizgavanja • Snabdevanje količinom goriva prema zahtevu motora Pritisak ubrizgavanja je promenljiv prema naĉinu rada motora. Maksimalan pritisak i protok goriva se ostvaruje samo pri punoj snazi motora (programska mapa). Manje utrošene snage za snabdevanje gorivom povećava ekonomiĉnost motora. Savremeni oto motori takoĎe koriste princip zajedničke magistrale za ubrizgavanje benzina direktno u cilindar motora.

Sistem snabdevanja gorivom preko zajedniĉke magistrale*

• • •

Hidrauliĉna pomoć kod ostvarivanja sile za podizanje igle brizgaljke rezultuje povratnim vodom za gorivo iz brizgaljke ka rezervoaru HlaĊenje goriva po povratku iz zajedniĉke magistrale i brizgaljke u rezervoar, zbog oĉuvanja gustine goriva, kao parametra za odmeravanje koliĉine ubrizganog goriva. PVP se kontinualno okreće, ali se samo deo goriva šalje u zajedniĉku magistralu. Ostatak se na niskom pritisku vraća u rezervoar

Crvena boja-visok pritisak, ruţiĉasta boja-pritisak posle prigušivanja, ţuta bojanizak pritisak

Pritisak ubrizgavanja kod konvencionalnih ureĊaja – zavisan od brzine motora i zajedniĉke magistrale – nezavisan od brzine motora

Izgled mlaza kod ubrizgavanja

Levo, prva slika: Predubrizgavanje (pilot ubr.), debljina mlaza je minimalna, kao i duţina ubrizgavanja, odnosno koliĉina ubrizganog goriva. Zahvaćeni ugao kolenastog vratila pri ubrizgavanju takoĊe varira, prema naĉinu rada i termiĉkom stanju motora (hladan, u zagrevanju, pothlaĊen, u radu i malo opterećen.) Desno, ostale slike: Glavno ubrizgavanje, prema porastu zahtevane snage raste i koliĉina ubrizganog goriva, brizgaljka je duţe otvorena, pa punoća mlaza raste.

Proces sagorevanja: Smeša i paljenje Dizel motori rade sa heterogenom smešom koja se sama pali toplotom iz sabijenog vazduha. Temperatura vazduha je iznad temperature paljenja goriva. Potpuno homogenu smešu nije moguće postići u dizel motoru ni pre ni u toku sagorevanja. Upaljenje bez stranog izvora energije nalaţe trenutak poĉetka ubrizgavanja na takt sabijanja, onda kad postoji dovoljno visoka temperatura za samopaljenje, minus zaostajanje ubrizgavanja i zaostajanje paljenja, prema poĉetku sagorevanja. Svedeno samo na kompresiju vreme za homogenizaciju smeše je kratko. Zaostajanje ubrizgavanja i zaostajanje paljenja oteţava procenu trenutka za poĉetak ubrizgavanj. Zbog smanjenja buke i tvrdog rada, gorivo se dodaje i u toku sagorevanja, kada u klasiĉnom smislu nema smeše, jer postoje vrtlozi plamena po prostoru za sagorevanje. Oko kapljice goriva uvek postoji • Zona isparavanja (bliţe kapljici) • Zona sagorevanja (dalje od kapljice) U samoj kapljici nema vazduha =0, a udaljavajući se od kapljice  raste i na ĉistom vazduhu dostiţe =. Upaljiva smeša je oko zone isparavanja kada koeficijent viška vazduha dostigne vrednost =0,3-1,5. Zahtev: Što sitnije kapljice, što bolja homogenizacija smeše i taĉan višak vazduha – siromašna smeša. Time se smanjuje koliĉina ĉestica (particule), dobijaju izduvni gasovi koji ne sadrţe crni dim (providnost pri punom opterećenju) i bez dima su pogodni za recirkulaciju. Recirkulacijom izduvnih gasova* se smanjuje emisija azotnih oksida.

Proces sagorevanja i dimenzije motora Dimenzije motora i iskorišćenje vazduha Pri punom opterećenju motor treba da iskoristi sav vazduh u cilindru za sagorevanje. (―Air utilization‖, =1). Teorijski pri punom opterećenju ne treba da postoji višak vazduha. Ako to nije sluĉaj, cilindar, drugim reĉima motor, je prevelik za datu snagu. Sa druge strane, Pri punom opterećenju ne sme da nedostaje vazduha. Ako se to dogodi, motor je premali za datu snagu. Tada raste emisija čestica, koja je inaĉe, slaba taĉka dizel motora. Stvarni viškovi vazduha dizel motora Smeša sa =1 i dovoljno vazduha za minimiziranje pojave ĉestica su opreĉni zahtevi. Dizel motor ne moţe da radi sa stehiometrijskim odnosom goriva i vazduha jer ne moţe da ostvari homogenu smešu. Posledica je pojava ĉestica. Za minimiziranje ĉestica u izduvu uvek je potreban višak vazduha. Pri punom opterećenju turbopunjeni motori imaju  (1.15-2), a neopterećeni na minimalnom broju obrtaja >10.

Proces sagorevanja: Faze Proces sagorevanja kod dizel motora sastoji se iz tri faze:

1.

2.

3.

Zaostajanje paljenja (ignition lag) Plamen slabog intenziteta, sagorevanje poĉinje, ali se uglavnom greje smeša, uz neznatan porast pritiska na strani kompresije – pre SMT. (sliĉno jezgru plamena kod oto motora, ali ima više jezgara zbog samopaljenja smeše, dok je kod oto samo jedno jezgro) Sagorevanje pripremljene smeše (premixed flame) Plamen jakog intenziteta, pomešan sa delovima neupaljene smeše, na koje se širi velikom brzinom. Znaĉajan porast pritiska je neposredno iza SMT. Maksimalan pritisak sledi iza toga, blisko SMT. Sagorevanje upravljanjem smešom (diffusion flame) Plamen koji se širi u svim pravcima. Istovremeno se formira i sagoreva smeša (odatle naziv difuzioni plamen). Po prestanku ubrizgavanja sledi dogorevanje ostatka smeše.

(Detaljnije na sledećem slajdu).

Proces sagorevanja: Faze

Prva faza (ignition lag), obuhvata vreme od poĉetka ubrizgavanja do poĉetnog paljenja sa dovedenom koliĉinom toplote dovoljnom da stvori znaĉajan porast pritiska iznad linije sabijanja bez sagorevanja. Paljenje zaostaje u vremenu za ubrizgavanjem. Od trenutka ubrizgavanja do trenutka paljenja protiĉe vreme za isparavanje goriva i formiranje upaljive smeše mešanjem isparenog goriva sa vazduhom. Druga faza (premixed flame), obuhvata sagorevanje smeše pripremljene u prvoj fazi. Porast pritiska i temperature je najveći. Sagorevanje je intenzivno i nekontrolisano. Porast pritiska stvara mehaniĉka naprezanja motora – buku i tvrd rad. Porast temperature stvara azotne okside. Produţenje prve faze (po uglu) daje više vremena za homogenizaciju, a smanjenje koliĉine ubrizganog goriva na poĉetku druge faze smanjuje nagli porast pritiska i buku. Koliĉina azotnih oksida se smanjuje sniţavanjem temperature sagorevanja putem recirkulacije izduvnih gasova. (EGR nije za puno opterećenje jer smanjuje koliĉinu usisanog vazduha i time kiseonika za sagorevanje). Dobra homogenizacija smeše spreĉava stvaranje ĉestica u trećoj fazi. Ĉestice nastaju u lokalnim zonama bogate smeše, gde oko goriva nema dovoljno kiseonika za sagorevanje, usled nedovoljne homogenizacije smeše u drugoj fazi sagorevanja. Homogenizacija nikad nije dovoljna u meri da nema ĉestica. Treća faza (diffusion flame), obuhvata ubrizgavanje goriva u vreme kada smeša već gori. Uslovi upaljenja su dobri i gorivo se odmah pali i vrlo brzo sagoreva. Brzo paljenje omogućava kontrolu i upravljanje sagorevanjem preko upravljanja koliĉinom goriva koje se ubrizgava, odnosno upravljanjem smešom. Uslovi sagorevanja se pogršavaju. Koliĉina kiseonika u vazduhu je opala, naraslo je uĉešće inertnih gasova. Nastanak ĉestica: Ugljovodoniĉno gorivo se cepa (cracking) usled visoke temper. i nastaje crni dim. Pri kraju ubrizgavanja dostiţe se maksimalna temperatura, posle ĉega sledi dogorevanje (5-10% goriva). U dogorevanju ekspanzija raste, temperatura opada, vazduh je potrošen, izduvnih gasova ima mnogo.

Udarno sagorevanje i buka U drugoj fazi sagorevanja posle poĉetnog upaljenja smeše oslobaĊa se toplota. OsloboĊena toplota greje smešu i ubrzava isparavanje i paljenje goriva. Po celoj zapremini prostora za sagorevanje stvaraju se centri upaljenja. Gorivo ubrizgano u prvoj fazi i deo goriva ubrizganog u drugoj fazi, zapreminski* sagorevaju. Zapreminskim sagorevanjem toplota se naglo oslobaĊa. Rezultat je isto tako nagli porast pritiska u cilindru motora: p/=(4-8) bar/°kv. Nagli porast pritiska mehaniĉki napreţe motorni mehanizam. Rad motora je ―tvrd‖ i praćen bukom (clatter). Sagorevanje je udarno. Predubrizgavanje (pilot) male koliĉine goriva kontrolisano podiţe pritisak i temperaturu i stvara uslove za lakše i brţe paljenje smeše. U drugoj fazi se smanjuje zaostajanje upaljenja (ignition lag). Time se produţava sagorevanje u drugoj fazi i tako smanjuje nagomilavanje goriva pri ubrizgavanju. Manje nagomilavanje goriva umanjuje nagli porast pritiska, zato što se oslobaĊa manje toplote po uglu k.v. Smanjuje se naprezanje, buka i tvrd rad motora. Klasični sistemi (UPS, UIS) mogu imati krivu pritiska glavnog ubrizgavanja sa dvostepenom (boot shaped) promenom (event) pritiska. Sistemi sa zajedničkom magistralom (common rail) imaju potpunu kontrolu ubrizgavanja, jer je ubrizgavanje razdvojeno od stvaranja pritiska za ubrizgavanje. Mogu oblikovati krivu ubrizgavanja, pa mogu primeniti i trapezasti oblik kod glavnog ubrizgavanja, a da ipak ne dodaju veću koliĉinu goriva od potrebne. Pomeranje intervala trajanja druge faze unapred i smanjenje ubrizgane količine goriva u drugoj fazi ostavlja više vremena za treću fazu sagorevanja, u kojoj je kontrola sagorevanja dobra.

Ĉestice u izduvu (crni dim)

U trećoj fazi sagorevanja je najviša temperatura u cilindru (pri kraju ubrizgavanja). Smeša je nehomogena, (lokalni centri bogate smeše) nedostaje vazduha (vazduh već potrošen za sagorevanje) ili je vazduh nedostupan zbog sagorelih gasova oko goriva. Sagorevanje izostaje, a pod uticajem visoke temperature dolazi do cepanja goriva (cracking) na sastavne elemente: Ugljenik i vodonik. Molekuli vodonika (gas) su pokretni, pronalaze put do kiseonika, lako se pale i sagorevaju. Molekuli ugljenika (ĉvrsto stanje), teţe su pokretni, teško se pale ĉak i kada doĊu u dodir sa kiseonikom. MeĊusobno se spajaju – kristalizuju i formiraju ĉaĊ. ČaĎ odlazi u izduni sistem i stvara crni dim. Ĉestice ĉaĊi su otrovne i kancerogene. Nepodesne su za recirkulaciju izduvnih gasova jer se taloţe na EGR ventilu i stvaraju otpore njegovom kretanju-radu. Uklanjanje čestica • Ranim sekundarnim ubrizgavanjem: Ĉestice se mogu sagoreti (umanjiti koliĉina ĉestica u izduvu do 70%), ako ima dovoljno (viška) vazduha prema opterećenju motora. Gorivo se ubrizgava dok treća faze sagorevanja još traje i tako pali. • Kasnim sekundarnim ubrizgavanjem: Ĉestice koje nisu sagorele (puno opterećenje motora bez viška vazduha za rano sekundarno ubrizgavanje/sagorevanje, ili zaostale posle ranog sek.ubr.) se odvode u filter za ĉestice i tamo povremeno sagorevaju. Gorivo za sagorevanje se ubrizgava na kraju takta ekspanzije, po prestanku sagorevanja. Ubrizgano gorivo se ne pali (nema uslova), već koristi toplotu izduvnih gasova za isparavanje i odlazi u izduvni sistem, odakle dospeva u filter za ĉestice i tu sagoreva, sagorevajući ĉestice. Sagorevanjem se filter za ĉestice ―regeneriše‖. (Ugljovodonici HC se takoĊe koriste za redukciju azotnih oksida u katalitiĉkom konvertoru). Čestice (soot) su slaba tačka dizel motora.

Kriva ubrizgavanja i intervala sagorevanja za razne sisteme ubrizgavanja i naĉine rada motora prema gradnji pritiska i uglu kolenastog vratila

Krive pritiska ubrizgavanja Jediniĉni sistemi ubrizgavnja (UIS, UPS) omogućavaju predubrizgavanje i dvostepeni porast pritisaka kod glavnog ubrizgavanja. Zajedniĉka magistrala (―Common Rail‖), piezo*-elektriĉne brizgaljke i visoki pritisci omogućavaju do 5** ubrizgavanja oko i u toku radnog takta. Oblik krive pritiska ubrizgavanja je teorijski paravougaonik, a praktiĉno trapez, jer su brzine otvaranja i zatvaranja brizgaljke konaĉne. Aktivacija brizgaljki je elektriĉna, a brzinu kretanja igle brizg. pomaţe hidraulika, koristeći pritisak goriva u brizgaljki. Otvaranje i zatvaranje brizgaljki je kritiĉno, jer porast i pad pritiska u otvoru brizgaljke nije trenutan. Manji poĉetni i krajnji pritisci ubrizgavanja daju krupnije kapljice i pogoršavaju raspršivanje. Prednost ima piezo-kristal sa više puta brţim odzivom od solenoida. Preko raĉunara moguće je upravljati svakim cilindrom motora pojedinaĉno – nezavisno od drugih cilindara. Sloboda oblikovanja krive pritiska CR+EDC je velika. Delovi krive: • Predubrizgavanje (kombinovani ciklus) • Jednostepeni porast pritiska, ili • Dvostepeni porast pritiska ubrizgavanja (two events) • Konstantno visok pritisak ubrizgavanja (dobro raspršivanje) • Ranije sekundarno ubrizgavanje (sagorevanje ĉestica u cilindru motora) • Kasnije sekundarno ubrizgavanje (sagorevanje ĉest. u katalizatoru-filteru za ĉestice)

Kombinovani ciklus*

Ciljne funkcije delova krive pritiska ubrizgavanja: Predubrizgavanje Predubrizgavanje male količine goriva pre glavnog ubrizgavanja (1mg, ili nekoliko mg), koja se pali već za vreme kompresije, podiţe pritisak i time temperaturu vazduha. Poboljšavaju se uslovi za paljenje smeše kod glavnog ubrizgavanja u drugoj fazi. Posebno je vaţan za DI motore. Viša temperatura, ostvarena predubrizgavanjem, skraćuje zaostajanje paljenja (ignition lag) kod glavnog ubrizgavanja. Skraćenje vremena zaostajanja paljenja Koliĉina nagomilanog goriva tokom ubrizgavanja u drugoj fazi sagorevanja smanjuje se: Zbog povećanja kompresije/temperature tokom predubrizgavanja smeša se lakše pali. Sa manjom koliĉinom nagomilanog goriva bolja je homogenizacija(bolji odnos goriva i vazduha), pa raste ekonomiĉnost motora, a umanjuje se koliĉina ĉestica. Postiţe se bolje voĊenje druge faze sagorevanja (premixed flame). Premešta se deo glavnog ubrizgavanja sa većom koliĉinom dodatog goriva iza SMT, na stranu ekspanzije. Smanjuje se buka i emisija azotnih oksida. Produženo vreme za treću fazu sagorevanja Manje goriva u drugoj fazi – više goriva u trećoj fazi, ĉije je sagorevanje upravljano. Primena: Ostvarenje kombinovanog ciklusa – više površine – rada u p,V dijagramu. Podizanje kompresije kod hladnog starta Podizanje kompresije kod rada sa ohlaĊenim motorom. Napomena: Temperatura u cilindru tokom ciklusa moţe biti sniţena iako motor ima radnu temperaturu, ako je izvesno vreme radio sa malim opterećenjem.

Ciljne funkcije delova krive pritiska ubrizgavanja: Promene pritiska Jednostepeni porast pritiska posle predubrizgavanja smanjem koliĉine goriva i pomera ubrizgavanje iza SMT kod glavnog sagorevanja redukuje azotne okside kod motora bez recirkulacije izduvnih gasova (EGR). Dvostepeni porast pritiska tokom ubrizgavanja (dva dogadjaja) redukuje azotne okside i ĉestice kod motora bez recirkulacije izduvnih gasova (EGR). Tokom prvog – niţeg stepena porasta pritiska ubrizga se manja koliĉina goriva u drugom veća, ĉime se dovede manje toplote i izbegava visoka vršna temperatura sagorevanja. Ubrizgavanje se ne menja promenom pritiska, već se koriste brizgaljke sa dvostepenim otvaranjem (dve opruge ili obaranje pritiska prigušivanjem preko solenoidnog ventila (CCRS*). Veća sloboda koliĉina/ugao od jednostepenog porasta pritiska ubrizgavanja, gde je samo ugao na raspolaganju posle predubrizgavanja. Konstantan visok pritisak dobro raspršuje gorivo. Motori sa recirkulacijom izduvnih gasova imaju sniţenu vršnu temperaturu sagorevanja, a male kapljice se lakše pale. Kritiĉno je otvaranje i zatvaranje brizgaljki, kad pritisak pada. Konvencionalni sistemi ubrizgavanja tada prave krupnije kapljice, pa raste emisija ĉestica. Ranije sekundarno ubrizgavanje smanjuje emisiju ĉestica koje sagorevaju uz pomoć male koliĉine goriva na kraju procesa sagorevanja dok još traje. Ranijim sekundarnim ubrizgavanjem se dodaje gorivo za sagorevanje ĉestica već u cilindru motora. Kasnije sekundarno ubrizgavanje ne daje gorivo koje sagoreva u cilindru, nego gorivo koje isparava usled toplote izduvnih gasova i odlazi u izduvni sistem. Gorivo se ubrizgava pri kraju ekspanzije i/ili pri izduvavanju, kada su temperature u cilindru niske za samopaljenje. Smeša odlazi u katalitiĉki konvertor. U konvertoru se ugljovodonici koriste za redukciju azotnih oksida, ili kao gorivo sagorevaju u filterima za izdvajanje i akumulaciju ĉestica. Ĉestice sagorevaju i filter se oslobaĊa od ĉestica (regeneracija). Nedostatak: Kasnije ubrizgano gorivo moţe ―produvavanjem‖ pored klipnih prstenova u cilindru dospeti u kućište motora i razrediti ulje.

Ciljne funkcije delova krive pritiska ubrizgavanja: Optimizacija buke i tvrdog rada motora i sadrţaja izduvnih gasova Optimizacija izmeĎu smanjenja buke i tvrdog rada motora kada je rad ekonomiĉan, jer sagorevanje nije razvuĉeno (potreban porast temperature usled predubrizgavanja) i Količine azotnih oksida i čestica u izduvnim gasovima koje prate nagle poraste pritiska (prevelik porast temperature usled predubrizgavanja) odreĊuje se programskim upravljanjem (EDC) prema trenutnom načinu rada i termičkom stanju motora prema opterećenju, brzini i temperaturi motora Optimizacija se ostvaruje intervalom vremena/ugla izmeĎu predubrizgavanja i glavnog ubrizgavanja i količinom predubrizganog goriva i goriva ubrizganog u drugoj fazi sagorevanja odnosno oblikom kombinovnog ciklusa (sabatje)

Parametri ubrizgavanja Pojedinačno ubrizgavanje goriva na delu krive ubrizgavanja odreĎuje se sledećim parametrima: Vreme-ugao ubrizgavanja • Početak ubrizgavanja [°kkv] – Modeliranje pritiska i temperature sagorevanja: Buka i tvrd rad motora – Kontrola sastava izduvnih gasova: Azotni oksidi i ĉestice, takoĊe ugljovodonici

•

Trajanje ubrizgavanja [°kkv] Praćenje dizel ciklusa (p=const) i/ili kombinovanog ciklusa (v=const, p=const, Sabatjeov ciklus)

Isporuka goriva • Količina ubrizganog goriva [mm3] Dovedena koliĉina toplote za mehaniĉki rad • Pritisak ubrizgavanja [bar] Prodor mlaza i veliĉina kapljica – raspršivaje goriva za formiranje smeše

Dizel motori Oblici prostora za sagorevanje

Dizel motori, prostori za sagorevanje Prostor za sagorevanje sa klipom (oblik) koji se kreće odreĊuje kvalitet sagorevanja i time utiĉe na performanse motora i emisiju izduvnih gasova.

Postoje dve vrste prostora za sagorevanje dizel motora: • Nepodeljen – sa direktnim ubrizgavanjem, (DI motori) • Podeljen – sa indirektnim ubrizgavanjem, (IDI motori) Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanje su osmišljeni sa idejom da se umanji buka i naprezanje motora koji su posledica ―tvrdog‖ rada u drugoj fazi sagorevanja. Buka je najizraţenija kod ubrzavanja vozila. Zahvaljujući savremenoj tehnologiji, koja omogućava rad sa visokim pritiscima ubrizgavanja i tačnu kontrolu predubrizgavanja, buka (tvrd rad i opterećenje delova motora) kod motora sa direktnim ubrizgavanjem je smanjena do nivoa motora sa indirektnim ubrizgavanjem. Dizel motori sa direktnim ubruzgavanjem imaju do 20% manju potrošnju goriva od motora sa indirektnim ubruzgavanjem. Manja ekonomiĉnost i komplikovanija konstrukcija IDI dizel motora su razlog što su ih potisli DI motori.

Dizel motori sa nepodeljenim prostorom za sagorevanje Gorivo se ubrizgava direktno u cilindar motora, odnosno prostor za sagorevanje. Smeša se pravi vihornim kretanjem vazduha kroz vod i usisni otvor (posebno oblikovan u tu svrhu), kretanjem klipa u cilindru i mlazom ubrizgavanja. Sa sve većim pritiscima ubrizgavanja vihorenje gubi na znaĉaju. Najĉešći oblik klipa je  oblik, ĉiji naziv potiĉe od oblika udubljenja u glavi klipa (popr.pr.) koje podseća na grĉko slovo omega. Udubljenje u klipu definiše oblik prostora za sagorevanje (klip u SMT). Brizganje je upravno na toroidno (kruţno) kretanje vazduha u omega udubljenju klipa. •

•

Obrazovanje smeše mlazom (novije) U odsustvu vihora brizgaljka ima 8-9 otvora koji usmeravaju svoje mlazeve goriva prema zidovima udubljenja u klipu. Na taj naĉin mlazevi pokrivaju veliki prostor, pa je potreba za vrtloţenjem mala. Usisni vod, osloboĊen zadatka da stvara vihor, postaje jednostavniji po obliku, a istovremeno se poboljšava izmena radnog tela. Teţište za formiranje smeše se prebacuje na brizgaljke i pritisak ubrizgavanja – raspršivanje. Obrazovanje smeše uz pomoć vihora (starije) Kod brzohodih dizel motora male radne zapremine energija mlaza moţe biti nedovoljna za formiranje smeše, jer je ograniĉena prodorom mlaza. Zbog malih preĉnika cilindra mlaz penetrira – dohvata zid, pa je dodatno potrebno vihorenje, a udubljenje u klipu je veće. Vihorenje treba da bude dovoljno da spreĉi kontakt mlaza sa zidom i ravnomerno rasporedi smešu po celom prostoru za sagorevanje. (Brzohodi motori sa malim preĉnicima cilindra pripadaju putniĉkim vozilima i malim transportnim vozilima).

Kod turbo motora vazduh u cilindru je gušći, pa je trenje kapljica o vazduh veće, ali je isparavanje malo teţe zbog višeg pritiska u nadpunjenom cilindru.

Dizel motor sa nepodeljenim prostorom za sagorevanje (DI)

Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanje Princip rada se sastoji u tome da se u manju komoru ubrizgava gorivo, priprema smeša i pali. Zatim se smeša odvodi iz manje komore u veću – glavnu komoru, u kojoj se nastavlja i završava sagorevanje. Strujanje iz manje u veću komoru nastaje pod uticajem razlike u pritiscima izmeĊu dve komore, do koje dolazi usled poĉetka sagorevanja u manjoj komori. Pritisak u manjoj komori dovoĊenjem toplote raste, u odnosu na veću komoru, gde sagorevanja još nema. Strujanje gasa iz jedne komore u drugu pod uticajem razlike u pritiscima pravi intenzivno mešanje goriva i vazduha u glavnoj komori. Manja komora je smeštena u glavi cilindara, a veća je klasiĉan prostor za sagorevanje – glava, cilindarski zidovi i klip sa klipnim prstenovima. Komore su meĊusobno spojene tunelom. Nedostaci: Gubici toplote nastaju usled produţenog vremena sagorevanja, veće površine prostora za sagorevanje, prigušivanja gasa i povećanih otpora strujanja: Prenošenje plamena iz jednog prostora u drugi produţava vreme sagorevanja u odnosu na direktno i ima više vremena za razmenu toplote sa zidovima. Površina deljenog prostora je veća pa i razmena toplote – gubici toplote kroz nju (zidovi), veća. Gubici usled prigušivanja gasa nastaju po ulasku iz cilindra u manju komoru gde klip upumpava vazduh kroz tunel, i po izlasku iz tunela izmeĊu dve komore, kad se gas širi, jer je pod pritiskom usled dovoĊenja toplote sagorevanjem. Nema dovoljno vremena da se izjednaĉi pritisak gasa u pretkomori sa pritiskom gasa u glavnoj komori. Otpori strujanja nastaju pri prolasku radnog tela kroz tunel u oba smera strujanja, i pri kompresiji (kada se ulaţe rad) i pri ekspanziji. Potrošnja IDI goriva je veća do 20% u odnosu na DI motore. (IDI motori se ne grade više.)

Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanje •

Dizel motor sa predkomorom (Pre-chamber)

Predkomora je centralno postavljena u glavi motora tako da je tunel, koji je spaja sa glavnom komorom, usmeren ka centru glavne komore. Veliĉina pretkomore je 35-40% od (glavne) kompresione zapremene. Moţe biti više od jednog tunela koji spaja dve komore za povećanje ukupnog poreĉnog preseka – smanjenje otpora strujanja i poboljšanje homogenizacije smeše. Oblik pretkomore je sferiĉan, a komora postavljena tako da stvara vrtloţenje vazduha. U predkomoru su smeštene brizgaljka i grejaĉ za gerajanje vazduha pri hladnom startu. Postoje rešenja sa malim sferiĉnim telima (baffle) ispod otvora brizgaljke u pretkomori. Mlaz goriva iz brizgaljke usmerava se na sferiĉno telo, o koje se razbija. Istovremeno, oblik tela je takav da poboljšava vrtloţenje. Efekat je poboljšanje homogenizacije smeše. Grejaĉ za vazduh je stavljen na mesto gde najmanje ometa prostiranje plamena sagorevanja (―zavetrina‖, mlaz se ne brizga na grejaĉ). U taktu kompresije vazduh se iz radnog prostora utiskuje u pretkomoru i usmerava prema zidu predkomore, odakle se kreće prema brizgaljki. Brizgaljka gradi mali ugao (~5°) prema zidu pretkomore, ciljajući mlaz asimetriĉno prema sfernom telu. Mlaz se razbija i odbija od tela prema jednoj strani pretkomore. U taktu ekspanzije sagorevanje se prenosi u glavnu komoru pod pritiskom sagorevanja. Rad motora je mek i bez buke, što znaĉi bez mehaniĉkog napezanja. Emisija toksičnih komponenti izduvnih gasova je vrlo niska, kao i emisija ĉestica. Brzo zagrevanje motora kod hladnog starta potrebno je da se što pre postigne sagorevanje dizel motora bez nesagorelih ugljovodonika koje karakteriše plavi ili beli dim* u izduvnim gasovima.

Dizel motor sa predkomorom

Dizel motori sa podeljenim prostorom za sagorevanje •

Dizel motor sa vrtložnom komorom (Swirl chamber)

Predkomora je postavljena u glavi ivično u odnosu na cilindar, tako da je tunel koji povezuje vrtložnu komoru sa glavnom komorom postavljen tangentno. Veliĉina pretkomore je oko 60% od kompresione zapremene. Oblik pretkomore je diskosno - sferiĉan. U predkomoru su smeštene brizgaljka i grejaĉ za grejanje vazduha pri hladnom startu. U taktu kompresije utiskuje se vazduh u pretkomoru, gde se zbog smera tunela i poloţaja pretkomore stvara intenzivan vrtlog. Brizganje goriva je upravno na osu vrtloga (princip) kroz koji mlaz prodire i prolazi do vrele suprotne strane pretkomore o ĉiji zid udaraju kapljice. Tunel koji spaja vihornu komoru sa glavnom komorom većeg je popreĉnog preseka nego tunel kod rešenja sa predkomorom. Prigušenje vazduha je tako manje iz komore prema vihornoj komori, kao i otpori strujanja. Isto vaţi i za protok upaljene smeše iz pretkomore u komoru. Pumpni rad je manji, sagorevanje manje razvuĉeno. MeĊutim, rad motora je tvrĊi, a buka veća u poreĊenju sa dizel motorima sa pretkomorom. Veći protoĉni preseci tunela omogućavaju brţe prenošenje smeše u glavnu komoru, zbog ĉega ubrizgavanje goriva mora biti srazmerno brţe, nagomilavanje goriva raste i proces sagorevanja se više pribliţava drugoj fazi sagorevanja kao kod DI motora. Zbog brţeg sagorevanja mogu se dobiti vrlo velike brzine motora, veće od 5000 o/min. Visok broj obrtaja vodi ka dizel motorima velikih specifiĉnih snaga.

Dizel motor sa vrtloţnom (whirl) komorom

Direktno Ubrizgavanje Benzina (Unutrašnje formiranje smeše)

Direktno ubrizgavanje benzina*

Funkcionalna šema direktnog ubrizgavanja benzina*

Homogeno i slojevito punjenje kod direktnog ubrizgavanja •

Homogeno punjenje (homogeneous charge)

Puni se ceo cilindar ubrizgavanjem goriva u cilindar tokom usisavanja. Za veće momente i snage (brojeve obrtaja).  = 1: Redukcija emisije, bez azotnih oksida

•

Slojevito punjenje (stratified charge) Puni se deo cilindara ubrizgavanjem goriva u cilindar tokom sabijanja. Za manje momente i snage (brojeve obrtaja).  > 1: Ekonomiĉnost potrošnje goriva

U zavisnosti od uslova rada – zahteva za obrtnim momentom i brojem obrtaja (snagom),..., motor vozila prelazi sa jednog načina punjenja na drugi.

Homogeno i slojevito punjenje

Usisavanje, 1

Sabijanje, >1

Homogeno punjenje (princip) Gorivo se ubrizgava u cilindar za vreme usisavanja

• • •

•

Sastav smeše je stehiometrijski, =1, ili blago bogat, 1, do 10) Prenošenje gorivog sloja ka svećici i paljenje Prenošenje i drţanje vrši se usmerenim kretanjem vazduha (+EGR) i pali varnicom. U neposrednoj blizini elektroda svećice moţe se upaliti i vrlo siromašna smeša, sa ĉak  1.7 Leptir je otvoren (unthrottled, WOT). Izduvni gasovi se intenzivno recirkulišu (EGR )

Potreban je dodatni konvertor za redukciju azotnih oksida koji nastaju na granici izmeĎu gorivog i negorivog sloja, gde je smeša siromašna zbog viška vazduha.

Naĉin stvaranja i dovoĊenja sloja sa smešom u blizinu svećice: Zidom/Vazduhom Gornja površina klipa – zida prostora za sagorevanje, je oblikovana tako da kretanjem vazduha čuva sloj sa smešom od širenja po okolnom prostoru •

VoĎenje gorivog sloja zidom Udubljenje u klipu oblikovano je kao usmerivaĉ goriva – deflektor mlaza goriva. Mlaz goriva se ubrizgava ka deflektoru, od kog se odbija i usmerava prema svećici. Osa vrtloga vazduha je paralelna sa osom cilindra (swirl). Usmerivanje usisisnim vodom tako da vazduh struji oko zidova cilindra. Kretanje klipa ka SMT daje dodatnu energiju mlazu goriva. Klip hladi gorivo i moţe da se stvara film* goriva što je nepovoljno za sagorevanje. • VoĎenje gorivog sloja vazduhom Udubljenje u klipu oblikovano je za stvaranje vrtloţenja vazduha, usmerenog prema svećici. Osa vrtloga je paralelna sa gornjom površinom klipa (tumble). Mlaz goriva se ubrizgava ka vrtlogu, vrtlog podiţe gorivo svojim kretanjem prema svećici. Vrtlog vazduha ĉini vazdušni ―jastuk‖ koji spreĉava kontakt smeše i klipa. Kretanje klipa ka SMT podiţe vrtlog i daje dodatnu energiju vrtlogu za podizanje mlaza goriva prema svećici. VoĊenje sloja zidom i vazduhom nema oštrih granica. Uvek je prisutno voĊenje i zidom i vazduhom. Zavisno od ugla brizgaljki i koliĉine ubrizganog goriva: Na malim brojevima obrtaja uglavnom se gorivi sloj (oblak) nalazi iznad klipa. Na većim brojevima obrtaja gorivi sloj dohvata klip, i kad je proces zasnovan na voĊenju vazduhom (inercija sloja). Kontakt goriva i klipa (zid prostora za sagorevanje) je nepoţeljan zbog stvaranja filma i gubitak toplote kroz klip na isparavanje goriva. Položaj brizgaljki i svećica: Brizgaljke su smeštene izmeĎu usisinih ventila, a svećice centralno na komori za sagorevanje.

Naĉin stvaranja i dovoĊenja sloja sa smešom u blizinu svećice: Mlazom Gornja površina klipa – zida prostora za sagorevanje je oblikovana tako da kretanjem vazduha čuva sloj sa smešom od širenja po okolnom prostoru •

VoĎenje gorivog sloja mlazom Gorivi sloj se stvara ubrizgavanjem u neposrednoj blizini svećice. Mlaz goriva ima oblik konusa ili omotaĉa (šupljeg konusa) i ubrizgava se ciljajući omotaĉem konusa elektrode svećice. Prednost u odnosu na voĊenje zidom/vazduhom: Direktnim voĊenjem goriva ka svećici (bez pomoći vazduha) izbegava se kontakt gorivog sloja sa klipom. Uslovi za formiranje sloja: Vreme je skraćeno u odnosu na voĊenje zidom i vazduhom jer klip mora prići bliţe svećici (SMT) da se gorivi sloj ne bi raširio po celom prostoru za sagorevanje. Za skraćeno vreme ubrizg. potrebni su veći pritisci nego kod voĊenja zidom i vazduhom. Veći pritisci daju mlaz koji ima veću kinetiĉku energiju, pa su kapljice sposobne da dublje prodiru kroz vazduh (penetriraju) pre nego što ispare. Povećava se mogućnost da kapljice dohvate klip. To je nepoţeljno zbog stvaranja filma goriva na klipu. Zahtev za povećanjem brzine kapljica je opreĉan sa smanjenjem prodornosti mlaza. Stoga je potrebno smanjiti preĉnik kapljica da bi se smanjila inercija kapljica (kinetiĉka energija) i vreme potrebno za isparavanje trenjem o vazduh pri kretanju. Smanjenje kapljica i povećanje njihove brzine nalaţe manje otvore na brizgaljki i veće pritiske ubrizgavanja u odnosu na voĊenje zidom/vazduhom. Položaj brizgaljki i svećica: Brizgaljke su smeštene na vrhu komore za sagorevanje, svećica sa strane, na pravcu mlaza goriva.

Slojevito ubrizgavanje: Formiranje i voĊenje gorivog sloja sa voĊenjem zidom, vazduhom i mlazom

Karakteristike: • Oblik prostora za sagorevanje – gornje površine klipa • Pravac i ugao ubrizgavanja (pun mlaz) • Poloţaj brizgaljki i svećica meĊusobno u prostoru za sagorevanje (Klip je na putu ka SMT, prostor za sgorevanje još nije formiran).

Slojevito ubrizgavanje benzina: Formiranje i paljenje gorivog sloja voĊenim zidom i mlazom •

•

Kod voĊenja gorivog sloja zidom koristi se vihorenje vazduha. Brizgaljka je sa strane, a svećica centralno u cilindru Kod voĊenja gorivog sloja mlazom i ravne gornje površine klipa mlaz je oblika šupljeg konusa. Brizgaljka je centralno postavljena, svećica sa strane u cilindru

Od oblika prostora za sagorevanje zavisi i oblik mlaza. Levo: Ubrizgavanje Desno: Sagorevanje

Direktno ubrizgavanje benzina* voĊenje mlazom, otvoren presek • Centralna brizgaljka, svećica sa strane • Gornja površina klipa – na levoj strani udubljenja za ventile u fazi preklapanja – na desnoj strani deflektori za prevrtanje vazduha, (motor ne radi samo sa slojevitim punjenjem) – u sredini centralno udubljenje za formiranje oblika prostora za sagorevanje koje spreĉava širenje gorivog sloja pri radu sa slojevitim punjenjem.

Direktno ubrizgavanje benzina* voĊenje mlazom, otvoren presek • Štapiĉasta bobina • Svećica sa tri elektrode prema masi • Brizgaljka za gorivo centralna, pod malim uglom u odnosu na osu cilindra, usmerena tako da omotaĉ konusa gorivog sloja ravnomerno popuni prostor za sagorevanje, kad aje klip u SMT. (Moţe se proceniti ugao kunusa ubrizgavanja goriva s obzirom da omotaĉ konusa treba da dohvati elektrode svećice).

Uporedne osobine sistema direktnog ubrizgavanja benzina sa voĎenjem zidom/vazduhom i mlazom •

Putanja ubrizgavanja – Kod voĊenja mlazom kraća i direktna prema svećici, bez kruţenja kao kod voĊenja klipom/vazduhom.

•

Vreme za pripremu smeše i pritisak za ubrizgavanje – Kod voĊenja mlazom kraće, nego kod voĊenja klipom/vazduhom. Kod voĊenja mlazom potreban je veći pritisak, oko 200 bar, u odnosu na 150 bar kod voĊenja klipom/vazduhom*. (Ipak, oko 10 puta manji pritisci u odnosu na dizel CR).

•

Toplotno naprezanje svećice – Kod voĊenja mlazom promene temperature svećice su veće, jer se hladno gorivo brizga direktno u pravcu vruće svećice i hladi je. Kontakt goriva i svećice je neposredniji nego kod voĊenja zidom/vazduhom.

•

Tačnost u konstrukciji i izradi – Kod voĊenja mlazom svećica i brizgaljka zahtevaju veću taĉnost po meĊusobnom poloţaju i orijentaciji nego kod voĊenja vazduhom. Potrebno je i taĉnije odrţavanje pritiska u akumulatoru goriva. Od pritiska zavisi dolazak mlaza samo do svećice uz punjenje prostora za sagorevanje, ne i do klipa.

•

Potrošnja goriva – Kod voĊenja mlazom potrošnja goriva je manja. Isparavanje goriva je efikasnije zbog veće brzine mlaza i kasnijeg ubrizgavanja, kada je temperatura vazduha u prostoru za sagorevanje viša. Ubrizgano gorivo nema kontakt sa klipom, pa se ne stvara film, koji je osnovni razlog za lošije sagorevanje kod voĊenja zidom/vazduhom. Kada plamen doĊe do filma goriva na klipu, toplota plamena odlazi na isparavanje goriva (disipacija toplote) pa se plamen smanjuje i gasi.

Trajanje i pritisci ubrizgavanja benzina, poreĎenje direktnog sa indirektnim ubrizgavanjem • • •

Ugao direktnog ubrizgavanja u cilindar moguć je u samo dva takta, tokom usisavanja i sabijanja, što ĉini 2 x 90 = 180 stepeni ugla okretanja kolenastog vratila. Ugao indirektnog ubrizgavanja u usisini vod ima na raspolaganju sva ĉetiri takta, 720 stepeni. (4x više po uglu). Vreme za formiranje smeše kod direktnog ubrizgavanja u cilindar pri slojevitom punjenju je bitno manje u odnosu na vreme kod ubrizgavanja u usisini vod, oko 1/5. Na praznom hodu je manje do 0.5ms.

•

Brzina mlaza direktnog ubrizgavanja mora biti velika, jer se isparavanje vrši (i) trenjem kapljica goriva iz mlaza o vazduh tokom ubrizgavanja, a raspoloţivo vreme je kratko. • Veličina kapljica direktnog ubrizgavanja mora biti manja u odnosu na ubrizgavanje u usisini vod, oko 1/5 (površina isparavanja). Kapljice su proseĉne veliĉine 20m. Velika brzina mlaza i mala veličina kapljica zahtevaju velike pritiske ubrizgavanja, jer manji otvori na brizgaljkama daju veće otpore protoku goriva kroz otvor brizgaljke.

Kod slojevitog ubrizgavanja na zid/vazduh pritisci ubrizgavanja za dobro formiranje smeše u raspoloţivom vremenu iznose oko 150 bar. Kod slojevitog ubrizgavanja mlazom raspoloţivo vreme za pravaljenje smeše je još kraće. Pritisci ubrizgavanja mlazom su veći i iznose 200 bar. Pritisak kod direktnog ubrizgavanja varira u zavisnosti od naĉina rada motora 50-150 bar. (Štednja energije utrošene na stvaranje samo potrebnog i protoka u pumpi visokog pritiska isporukom goriva prema zahtevu – naĉinu rada motora.)

Načini rada kod direktnog ubrizgavanja benzina Način rada motora zavisi od opterećenja i uslova rada, a odreĎuje ga računar (EM*). • Motor zagrejan na radnu temperaturu

Takt ubrizgav.

=1 ili 1 >2 (siromašan) 1. Regeneracija az.oks. sa 650 stepeni C. • Kontrola temperature Zaštita protiv visoke temperature sagoreanja Ubrzanje grejanja konvertora Spreĉavanje pothlaĊivanja konvertora: Dodavanje ekstra goriva, kasnije paljenje, povećan broj obrtaja na praznom hodu

Mogućnost povećanja momenta motora kod direktnog ubrizgavanja benzina sa promenljivim fazama ventila (VVT) i turbo – nadpunjenjem

Turbo – punjenje i prirodno usisavanje, prirode krivih: Kriva momenta sa nadpunjenjem pokazuje maksimalan moment motora pri manjem broju obrtaja (znaĉajno za ubrzanje) od krive bez nadpunjenja koja je i ―zaobljenija‖.

Otrovne komponente u izduvnim gasovima Sastav izduvnih gasova i neutralizacija štetnih komponenti

Otrovne komponente u izduvnim gasovima oto motora u zavisnosti od sastava smeše* U oblasti bogate smeše, sa =0.8-0.9, koncentracija HC i CO je visoka, NOX niska. U oblasti malo siromašne smeše, sa =1.05-1.1 koncentracija CO i HC je niska, ali je NOx najveća Suprotno razliĉite koncentracije otrovnih sastojaka CO i HC sa jedne strane i NOx sa druge strane, za iste sastave smeše , oteţavaju upravljanje sagorevanjem sa ciljem da sagorevanje bude potpuno ĉisto. Nije moguća istovremena neutralizacija sve tri komponente: Azotni oksidi se redukuju posebno. Potrebno je neutralisati otrovne sastojke produkata sagorevanja pre nego što odu u atmosferu.

Nastanak otrovnih komponenti u izduvnim gasovima oto motora •

Ugljenmonoksid CO Nastaje kada nema dovoljno kiseonika za sagorevanje, pri radu sa bogatom smešom 1 koliĉina ugljenmonoksida teţi minimumu. Ugljen monoksid je produkt nepotpunog sagorevanja.

•

Ugljovodonici HC Nastaju kad nema dovoljno kiseonika pri radu sa bogatom smešom 1,1 kod pribliţavanja granici upaljivosti. Paljenje je oteţano po prostoru za sagorevanje, zbog toga slabi sagorevanje u frontu plamena i opada brzina fronta plamena. Nastaju i u blizini zidova prostora za sagorevanje koji hlade smešu. Front plamena ne moţe da upali hladnu smešu, gasi se i sagorevanje ostaje nezavršeno. Ugljovodonici su produkt nepotpunog sagorevanja.

•

Azotovi oksidi NOx Nastaju na visokoj radnoj temperaturi, iznad 2200K i uz dovoljno kiseonika za oksidaciju – u blago siromašnoj smeši >1,0 – 1,1. (Azotni oksidi ne mogu nastati u bogatoj smeši, jer nema kiseonika ni za stehiometrijsko sagorevanje, zbog ĉega i nastaju nesagoreli ugljovodonici i CO). Daljim osiromašenjem smeše >1,1 temperatura sagorevanja opada (manje goriva) pa se udeo azotnih oksida smanjuje, iako ima dovoljno vazduha. Azotni monoksid NO ĉini 95%, azotnih oksida (NO2 i drugi azotni oksidi oko 5%) Azotni oksidi su produkt sagorevanja na povišenim temperaturama u prisustvu dovoljno kiseonika.

(Oksidacija: Sjedinjenjavanje sa kiseonikom (+ toplota sagorevanja)) (Redukcija: Razjedinjavanje od kiseonika (- toplota redukcije))

Delovanje otrovnih komponenti •

Ugljenmonoksid CO

Trajno vezuje hemoglobin koji se nalazi u krvi*, ĉiji je zadatak da raznosi kiseonik po organizmu. Hemoglobin se labavo jedini sa kiseonikom, a sa ugljenmonoksidom trajno, izazivajući opasno trovanje. Ugljenmonoksid je gas bez ukusa i mirisa, teţi od vazduha. •

Ugljovodonici HC Nadraţuju sluzokoţu oĉiju i disajnih organa, a teţi ugljovodonici deluju kancerogeno sa duţim vremenom.

•

Azotni oksidi NOx Nadraţuju disajne organe i stvaraju ―smog‖ i kisele kiše koje oštećuju biljke.

•

Sumpor dioksid SO2 Nastaje od sumpora u gorivu. Produkuje kisele kiše, a kod motora umanjuje reaktivne sposobnosti trostepenih katalizatora i katalizatora azotnih oksida akumulatorskog tipa. Dobra goriva su ona koj u sebi ne sadrţe sumpor.

Faktori koji utiĉu na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Sastav smeše goriva i vazduha 

Koeficijent viška vazduha, , za minimum zagaĎenja, zahtevi kod ubrizgavanja su =1 •

Ubrizgavanje u usisne vodove Homogeno punjenje: =1 (stehiometrijski)

•

Direktno ubrizgavanje

Homogeno punjenje: =1 (stehiometrijski) Slojevito punjenje: =1 ili blisko jedan, za sloj koji se pali varnicom. (U cilindru je smeša ―u proseku‖ ekstremno siromašna zbog ekonomiĉnosti). Kod homogenog punjenja stehiometrijskom smešom uvek je problem rashlaĊivanje smeše u blizini zidova cilindra, što remeti termiĉku sliku homogenizacije. Kondenzacija goriva na zidovima cilindra, ako do nje doĊe, remeti i homogenost smeše i stehiometriju smeše. Kod direktnog ubrizgavanja prelaz sa slojevitog na homogeno punjenje vrši se kad se motor više optereti – veći zahtevi za momentom, ili preĎe na viši broj obrtaja (iznad 3000), kada nema dovoljno vremena za homogenizaciju gorivog sloja.

Faktori koji utiĉu na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Paljenje i varnica Trenutak (pred)paljenja pp i varnica, zahtevi •

Jaka varnica u pravom trenutku je neophodna za formiraje stabilnog jezgra plamena u periodu pritajenog sagorevanja.

•

Stabilno jezgro plamena utiĉe na formiranje fronta plamena. Pod pojmom ―stabilno‖ misli se na sagorevanje smeše u jezgru, tako da bude neprekidno prostorno i vremenski i sa progresivnim povećanjem dovoĊenja toplote u periodu pritajenog sagorevanja. Samo jezgro plamena gori zapreminski (vrlo mala, ali konaĉno mala zapremina), dok front plamena gori kao ljuskasti sloj. Dobro oformljeno jezgro plamena je uslov za dobro oformljen ljuskasti front plamena u kom sagorevanje daje minimum otrovnih produkata sagorevanja.

•

Sastav smeše oko elektroda svećice znaĉajan je za formiranje jezgra plamena. Mora biti homogen. (Vaţi i za indirektno i direktno ubrizgavanje).

Faktori koji utiĉu na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Formiranje smeše Formiranje smeše – zahtevi

•

Homogena smeša Cilindar: Ravnomerno popunjen ceo radni prostor cilindra Motor: Ravnomeran raspored smeše po pojedinim cilindrima motora

•

Slojevito punjenje (direktno ubrizgavanje) Homogenost smeše je posebno vaţna za sloj smeše oko elektroda svećice za jezgro plamena.

Ravnomeran raspored smeše po cilindrima se ne moţe ostvariti karburatorom ili ubrizgavanjem u jednoj taĉki (single point) za sve cilindre, jer duţina puta smeše i oblik voda nisu isti za sve cilindre. Na duţem putu kroz usisini vod ima više mogućnosti da se gorivo kondenzuje i stvara ―film‖ koji ―puzi‖ po zidovima usisne cevi-voda, naroĉito ako su krivine cevi sa malim polupreĉnikom (oštre). Neravnomeran raspored smeše po pojedinim cilindrima prouzrokuje da ―jedan cilindar vuĉe drugi cilindar‖.

Faktori koji utiĉu na stvaranje svih otrovnih komponenti:

Brzina motora i količina punjenja uz vreme za sagorevanje Na višim brojevima obrtaja: Otpori motora i pomoćnih ureĎaja rastu Za isto povećanje snage motora potrebno je srazmerno dodati ―više gasa‖ nego na niţim brojevima obrtaja (moment opada na višim br. obrt.). Zato se koriste podruĉja sa manje snage – manjim brojevima obrtaja kod programiranja za voĊenje upravljanih motora. Moment se moţe programski drţati stabilnim i u podruĉju broja obrtaja manjem od broja obrtaja maksimalnog momenta, inaĉe nestabilnom za vozaĉa. (Bez programskog upravljanja je kontrola oteţana.) Više sagorele smeše daje i veću koliĉinu produkata sagorevanja i lošiji sastav produkata sagorevanja. ZagaĊenje je kvalitativno i kvantitativno veće. Vreme za sagorevanje se skraćuje, ostaje manje vremena za potpuno, odnosno ―idealno‖ sagorevanje.

Faktori koji utiĉu na stvaranje pojedinih otrovnih komponenti:

Podukcija Ugljovodonika (HC) i Opterećenje i brzina motora, sastav smeše i trenutak paljenja •

Obrtni moment Opterećenje motora poboljšava sagorevanje HC: Veći momentom podiţe temperaturu sagorevanja i sagorevanje u blizini hladnih zidova u periodu dogorevanja je potpunije. Raste i temperatura izduvnih gasova pa se vrši dodatna redukcija ugljovodonika u toku izduvavanja.

•

Brzina motora Pogoršava sagorevanje HC: Sa povećanjem brzine raste koliĉina ugljovodonika jer se skraćuje vreme za pripremu smeše. Homogenizacija smeše i ravnomerna popuna cilindra je lošija, a vreme za sagorevanje kraće.

•

Sastav smeše Bogata smeša 1,2 teško se pali i sporo sagoreva pa raste HC

•

Trenutak paljenja Prerano paljenje pogoršava sagorevanje: Pomera se glavno sagorevanje unapred. Front plamena je slabiji kod dogorevanja, temperatura u dogorevanju je niţa i sadrţaj HC raste. Opada i temperatura izduvnih gasova koji mogu dodatno da oksidišu HC.

Faktori koji utiĉu na stvaranje pojedinih otrovnih komponenti:

Podukcija Ugljenmonoksida (CO) i Opterećenje i brzina motora, sastav smeše i trenutak paljenja •

Obrtni moment Veći moment poboljšava sagorevanje jer podiţe temperaturu sagorevanja i pomaţe oksidaciju ugljenmonoksida u taktu širenja. Opterećenje motora smanjuje koliĉinu ugljenmonoksida. (Kao i kod ugljovodonika).

•

Brzina motora Veća brzina pogoršava sagorevanje jer se vreme za sagorevanje smanjuje pa se povećava sadrţaj CO. Homogenizacija smeše i ravnomerna popuna cilindra je lošija iz istog razloga. (Kao i kod ugljovodonika).

•

Sastav smeše Bogata smeša 1 ima dovoljno kiseonika pa opada CO. Jedini izvor CO u siromašnoj smeši je nepotpuno sagorevanje zbog loše homogenizacije smeše. Nepotpuno sagorevanje biće u delovima smeše gde je usled nehomogenizacije 1,1 opada koliĉina azotnih oksida, jer siromašna smeša ima nisku temperaturu sagorevanja (malo goriva). Direktno ubrizgavanje, homogeno slojevito sa dva ubrizgavanja: U zoni jezgra plamena (oko elekroda) smeša je bogata i nema kiseonika za stvaranje azotnih oksida. U zoni sloja sa siromašnom smešom (cilindar) ima kiseonika, ali je u siromašnoj smeši temperatura sagorevanja sniţena, pa nema azotnih oksida. (Prednost direktnog ubrizgavanja). • Trenutak paljenja Trenutak paljenja znatno utiĉe na povećanje emisije azotnih oksida. Sa povećanjem ugla pretpaljenja raste pritisak sagorevanja više nego obiĉno, s njim i temperatura gasa, a s temperaturom i koliĉina azotnih oksida.

Snaga motora i potrošnja goriva u zavisnosti od sastava smeše • Najveću snagu motor razvija sa bogatom smešom, ali je tada i potrošnja goriva najveća. Sagorevanje je brzo ( dovoĊenje toplote Q pri v=const), ali nema kiseonika za potpuno iskorišćenje goriva. • Najveću ekonomiĉnnost motor ima kod blago siromašne smeše, jer mali višak vazduha obezbeĊuje svakom molekulu goriva kiseonik za sagorevanje, kompenzujući nepotpunu homogenost smeše. MeĊutim, snaga opada sa osiromašenjem smeše.

Kvantitativni sastav izduvnih gasova Savremen upravljan motor u radu sa stehiometrijskom smešom, zagrejan na radnu temperaturu, pored vodene pare i ugljendioksida, koji su produkti normalnog – ―idealnog‖ sagorevanja, ima i drugih produkata zbog nesavršenosti procesa sagorevanja:  = 1.0,

CO2 i H2O i N2 čini više od 98% izduvnih gasova i oko 1% drugih produktata sagorevanja

(Voda oko 13%, ugljendioksid oko 14% i azot oko 71%.) Najgore otrovne komponenti u izduvnim gasovima posle sagorevanja u motoru su: • • •

Ugljenmonoksid CO Ugljovodonici HC i Azotni oksidi NOx

Kod ―fosilnih‖ goriva, kada se i ostvari teorijski idealno sagorevanje, ugljendioksid kao produkt sagorevanja, jeste neizbeţan. Ugljendioksid, kao gas, uĉestvuje u smeši gasova koji stvaraju efekat ―staklene bašte‖ i time globalno zagrevanje atmosfere. Jedini naĉin da se smanji emisija ugljendioksida u izduvnim gasovima toplotnog motora je smanjenje potrošnje goriva*.

Katalitički konvertori za neutralizaciju otrovnih komponenti u izduvnim gasovima Najvažniji uticaj na stvaranje otrovnih komponenti imaju: • Sastav smeše  • Trenutak paljenja Upravljanje radom motora treba da bude takvo da se stvara što manje otrovnih komponenti Interval regulisanja za neotrovno sagorevanje mora imati dovoljno kiseonika u homogenoj smeši i vrlo je uzan za :  = 1.0 – 1.05 Prerano data varnica diže vršnu temperaturu sagorevanja i pogoduje stvaranju azotnih oksida. (Kasna varnica umanjuje dobijeni rad jer se dijagram pomera na stranu ekspanzije). Katalitički konvertori mogu da prevedu 99% ugljenmonoksida, ugljovodonika i azotnih oksida u neškodljive supstance. (od oko 1%, koliko ih ima sa svim ostalim produktima, osim CO2, H2O i N2)

Sastav izduvnih gasova u zavisnosti od koeficijenta viška vazduha/mase goriva i vazduha i Intervali rada trostepenih katalizatora i katalizatora za azotne okside

• Za rad sa stehiometrijskom smešom =1, dovoljan je trostepeni katalitiĉki konvertor. Koliĉina azotnih oksida je relativno mala. • Za rad sa siromašnom smešom, ≥1.05, potreban je dodatni konvertor za redukciju azotnih oksida. Koliĉina azotnih oksida je velika.

Snaga i moment motora u zavisnosti od sastava smeše

• U oblastima siromašne smeše pad snage je znatno veći za istu promenu sastava smeše nego u oblasti bogate smeše • Iznad 5000 o/min moment motora opada zbog povećanih unutrašnjih otpora, iako se prelazi na bogatu smešu, koja daje najveće momente.

Katalitički konvertori Trostepeni katalitičkim konvertori su ureĎaji u kojima se otrovni sastojci izduvnih gasova hemijskim reakcijama pretvaraju u neotrovne supstance. (Sami konvertori ne stupaju u reakciju).

Ovi konvertori mogu uspešno da rade samo ako se sastav smeše odrţava u vrlo uskim granicama oko stehiometrijske smeše =1. Za ostvarenje rada sa stehiometrijskom smešom potreban je upravljan motor sa sistemom povratne sprege (SAU) i ubrizgavanjem goriva. Ubrizgavaje goriva je zamenilo karburatore, jer karburatori ne mogu da ostvare rad sa stalnim sastavom smeše oko stehiometrijske vrednosti =1,05–1,10 ili siromašne smeše >1.1. Direktno ubrizgavanje (u cilindar motora) smenjuje indirektno ubrizgavanje (ubrizgavanje u usisni vod), zbog manje toksiĉnosi i bolje ukupne efikasnosti motora (veća kompresija, slojevito punjenje). Najviše su u upotrebi trostepeni konvertori, po jedan ―stepen‖ za po jednu – svaku otrovnu komponentu, CO, HC i NOx. Trostepeni katalitiĉki konvertor koji radi sa stehiometrijskom smešom, =1, ne moţe da redukuje azotne okside u siromašnoj smeši, >1.1, bez agensa (HC). Motori koji mogu da rade sa siromašnom smešom (lean burn) imaju dodatni konvertor za azotne okside. Dodatni konvertor za azotne okside je akumulatorskog tipa – moţe da akumulira odreĊenu koliĉinu azotnih oksida, i da ih u pogodnom trenutku (ECU) redukuje.

Katalitički konvertori Osobine • Katalitiĉki konvertori neutrališu otrovne komponente u izduvnim gasovima tek kad dostignu radnu temperaturu (600/800 stepeni celzijusa). • Najveće zagaĊenje u izduvnim gasovima je kod hladnog starta i potom zagrevanja motora, kad konvertori nisu dovoljno zagrejani, a smeša je bogata.

Uslovi za upravljanje motorom: • Što pre ugrejati motor i konvertor posle hladnog starta motora • Što pre dobiti oĉitavanje sa  davaĉa, kako bi se mogao efikasno popravljati rad motora I konvertori i senzori se zbog toga greju kod hladnog starta posebnim metodama za brzo zagrevanje.

Naĉin rada konvertora po vremenu •

Trostepeni katalitički konvertori (HC, CO, NOx) (primarni, ako postoji i dodatni konvertor za azotne okside) Rade neprekidno Za vreme rada sa stehiometrijskom smešom =1 dodatni konvertor radi kao i trostepeni konvertor, jer je koliĉina azotnih oksida zbog nepostojanja viška kiseonika mala. (Sl. 190)

•

Katalitički konvertori za azotne okside (NOx) (glavni). Rade prekidno (akumulatorski) Za vreme rada sa siromašnom smešom >1, zbog viška vazduha, odreĊena koliĉina azotnih oksida (NOx) se akumulira u dodatnom konvertoru. Kad se konvertor napuni oksidima, motor se kratkotrajno prebacuje na rad sa bogatom smešom  1: Oksidacija CO i HC je dobra zbog kiseonika u izduvnim gasovima. MeĊutim, zaostaju azotni oksidi  < 1: Azotni oksidi se redukuju uz pomoć CO i HC kao agensa redukcije. CO i HC koji nisu ušli u redukciju oslobadjaju se bez oksidacije, jer nema kiseonika.(!)

Katalitiĉki konvertori Konstrukcija • • • •

•

•

Kućište je od lima i u njemu se nalazi veoma porozna katalitička rešetka od keramike ili metala. Zidovi rešetke formiraju kanale kvadratnog popeĉnog preseka kroz koje struje izduvni gasovi. (Substrat – izdvajaĉ). Pre i posle rešetke nalazi se po jedna komora u koju izduvni gasovi ulaze pre prolaska kroz rešetku i izlaze posle prolaza kroz rešetku Metalna katalitička rešetka (debljine zidova rešetke 0.05mm) je poroznija od keramiĉke i daje manje otpore strujanju izduvnih gasova. Direktno se ugraĊuje u kućište. Pogodna je za motore sa većim brojevima obrtaja. Keramička katalitička rešetka (debljine zidova 0.05 – 0.016 mm) od magnezijum – aluminijum silikata obloţena je mineralnom tkanjem (matom, mreţom keramiĉkih vlakana) za zaptivanje, zaštitu od udaraca, kompenzaciju razlike temperaturne dilatacije izmeĊu keramike i metala i izolaciju toplote. Veoma je postojana na visoku temperaturu i otporna na temperaturne promene (thermo-stress). Keramiĉka rešetka je najviše u upotrebi. Rešetka je prekrivena oblogom od oksida aluminijuma (Al2O3) (coat) veoma velike poroznosti što uvećava površinu za katalitiĉku reakciju (7000 puta). Obloga sadrţi plemenite metale kao katalizatore, platinu i/ili paladijum za oksidaciju ugljenmonoksida i ugljovodonika i rodijum za redukciju azotnih oksida. Masa ovih metala u katalizatoru je izmeĊu 1 i 5 grama. Konvertor za azotne okside ima istu funkcionalnost i elemente kao i trostepeni katalitiĉki konvertor, ali ima i supstance koje mogu da akumuliraju i otpuštaju azotne okside. Najveći deo ugljenmonoksida i ugljovodonika neutrališe primarni konvertor, ostatak dodatni (―glavni‖) konvertor, ĉija je osnovna namena neutralisanje azotnih oksida.

Upravljanje katalitiĉkim konvertorom za neutralizaciju toksiĉnih produkata sagorevanja Radna temperatura trostepenog konvertora je 400 – 800 stepeni C, a dodatnog konvertora 300 – 400 stepeni. Za redukciju azotnih oksida motor se kratko prebacuje na rad sa bogatom i homogenom smešom ,  = 0,8. UtvrĊivanje napunjenosti i ispraţjenosti akumulatora azotnim oksidima vrši se: • Računski, na osnovu temperature izduvnih gasova. Redukcija oduzima toplotu, pa pada temperatura izduvnih gasova. Kad intenzitet redukcije oslabi, temperatura izduvnih gasova raste. • Sondom za azotne okside Merenjem koliĉine azotnih oksida u izduvu, koja raste kad je akumulator napunjen. (Jedini direktan naĉin). • Lambda sondom Koncentracija kiseonika u izduvnim gasovima raste kad se azotnim oksidima oduzme kiseonik i u produktu dobiju azot i kiseonik, a opada kad intenzitet redukcije oslabi. (Lambda senzor meri koncentraciju kiseonika). Motor sa katalitiĉkim konvertorom ne sme kao gorivo da troši benzin sa dodacima olova za povećanje oktanskog broja – spreĉavanje detonativnog sagorevanja. Olovo, ako ga ima u gorivu, taloţi se na rešetki i time spreĉava katalitiĉko dejstvo platine i rodijuma. (Nema popravke konvertora u tom sluĉaju, samo zamena). Konvertoru za azotne okside smeta sumpor u gorivu (ako ga ima), jer se jedini sa sastojcima koji akumuliraju azotne okside. (Popravljivo postupkom desulfurizacije u voţnji, t>700 stepeni C).

Katalitiĉki konvetor Pozicija u izduvnom sistemu, strujanje izduvnih gasova kroz konvertor i sastavni elementi

Trostepeni katalitiĉki konvertor Izgled preseka mikrografske strukture površine presvlake keramiĉkog bloka

Presvlaka (coat) je od oksida aluminijuma Al2O3 velike poroznosti i stoga veoma velike površine u odnosu na zapreminu koju zauzima.

Trostepeni katalitiĉki konvertor Presek kroz metalni katalizator i dela rešetke (levo) i izgled keramiĉkog konvertora i konvertorskog bloka (desno)

Katalitiĉki konvertori Konfiguracija •

Trostepeni konvertor (―primarni‖) Postavlja se ispred dodatnog akumulatorskog konvertora u struji izduvnih gasova jer ima višu radnu temperaturu. Primarni zadatak je neutralizaacija ugljenmonoksida i ugljovodonika. Da bi se brţe ugrejao posle hladnog starta manji je po veliĉini od dodatnog (time manje površine koja razmenjuje toplotu sa okolinom), ali zato što vrši najveći deo konverzije ima veću gustinu poroznosti u katalizatoru i time veću aktivnu povšinu katalizatora.

•

Dodatni katalizator (―glavni‖) Postavlja se iza trostepenog u struji izduvnih gasova jer ima niţu radnu temperaturu. Veći je od trostepenog (veća površina), da bi odavao više toplote u cilju odrţavanja niţe temperature.

Istovremena efikasna neutralizacija ugljenmonoksida i ugljovodonika sa jedne strane i azotnih oksida sa druge strane, u radu sa siromašnom smešom, nije moguća jer se za redukciju azotnih oksida koriste ugljovodonici kao agens redukcije, a ugljovodonika nema u radu sa siromašnom smešom =1,0-1,05, u kojoj nastaju azotni oksidi. Za neutralizaciju azotnih oksida motor se prevodi na rad sa bogatom smešom, da bi se dobili ugljovodonici, potrebni za redukciju azotnih oksida. Ugljovodonici (HC) će se najvećim delom iskoristiti za redukciju azotnih oksida (NOX), ali ugljenmonoksid (CO), nastao usled nepotpunog sagorevanja zbog nedostaka kiseonika u bogatoj smeši, ostaje nedovoljno tretiran. (V. dijagram HC, CO, NOX vs. ).

Katalitiĉki konvertori Grejanje za postizanje radne temperature kod hladnog starta Minimalna radna temperatura katalitiĉkih konvertora je 300 stepeni Celzijusovih. Kod hladnog starta potrebno je što pre ugrejati konvertor(e) do radne temperature na kojoj moţe da neutrališe otrovne sastojke u izduvnim gasovima. Nema znaĉajne konverzije otrovnih komponenti u izduvnim gasovima bez radne temperature konvertora. (Ispod 300 stepeni C konvertor ne funkcioniše). Kod hladnog starta, motor je hladan, a hladan je i izduvni sistem zajedno sa konvertorima. Naĉini grejanja katalitiĉih konvertora •

Grejanje konvertora upravljanjem rada motora – Povećanje temperature izduvnih gasova (I=U+pV, entalpija) – Povećanje protoka izduvnih gasova (veća koliĉina dovedene toplote)

•

Grejanje konvertora pomoću dodatnih izvora za grejanje – Elektriĉni izvori toplote (direktno grejanje) – Izvori toplote sa sagorevanjem

Grejanje konvertora upravljanjem rada motora •

Trenutak paljenja Osnovna mera – Povišenje temperature izduvnih gasova pomeranjem paljenja na kasnije. Izduvni gasovi dobijaju relativno visoku temperaturu na kraju ekspanzije. Nedostatak: Sagorevanje se premešta u takt širenja, što umanjuje dobijeni rad motora.

•

Prazan hod Pomoćna mera – Povećanje broja obrtaja praznog hoda motora Veći broj obrtaja praznog hoda povećava protok izduvnih gasova, istovremeno i omogućava pomeranje paljenja na kasnije, jer motor razvija više snage i radi stabilnije. Kasnije paljenje je 10 – 15 stepeni posle SMT, jer više od toga ugroţava rad motora. Ova mera nije uvek dovoljna za zagrevanje motora na radnu temperaturu, posebno kada su spoljne temperature niske.

Savet vozaĉu: Što pre pokrenuti vozilo posle hladnog starta, ĉime se povećava opterećenje motora (srednji indiciran pritisak). Povećanje opterećenja motora brţe dovodi motor na radnu temperaturu. Voţnja u periodu zagrevanja motora ne treba da bude sa prevelikim opterećenjem, naroĉito ne sa velikim brojem obrtaja, jer hladan motor ne razvija nominalnu snagu i pokretni delovi sklopova motora nemaju radne zazore dok se motor ne zagreje. Sa porastom temperature motora prema radnoj temperaturi postepeno opterećivati motor sve više.

Grejanje konvertora upravljanjem rada motora •

•

Trenutak otvaranja izduvnih ventila, za AVT Primenljivo kod motora koji mogu menjati šemu razvoda izduvnih ventila u toku rada motora. Izduvni ventil se otvaraju ranije u procesu ekspanzije, ĉime se još veća koliĉina dovedene toplote odvodi u izduvni sistem, ali uz dodatni gubitak rada. (I=U+pV) Ubrizgavanje goriva pri kraju takta ekspanzije Kod slojevitog punjenja i direktnog ubrizgavanja goriva na kraju takta ekspanzije, posle sagorevanja sa ―proseĉno‖ siromašnom smešom, ubrizgava se dodatna koliĉina goriva u cilindar. Dodatno ubrizgano gorivo odlazi u izduvni sistem, ne sagorevši u cilindru. Za sagorevanje ovog goriva potrebno je u izduvni sistem dovesti i odreĊenu koliĉinu vazduha. Posebna pumpa za vazduh ubacuje dodatni vazduh u izduvni sistem. Količina dodatnog vazduha je takva da smeša u izduvnom sistemu sagoreva kao siromašna, dajući toplotu i visoku temperaturu izduvnih gasova u izduvnom sistemu. Za uspešno sagorevanje smeše u izduvnom sistemu potrebno je da temperatura i toplotna energija izduvnih gasova posle sagorevanja u motoru bude dovoljna. To se ostvaruje pomeranjem trenutka paljenja na kasnije.

Vrlo bogata smeša =0,6 sagoreva u izduvnom sistemu pre ulaska u katalitiĉki konvertor. Manje bogata smeša =0,9 sagoreva u izduvnom sistemu posle ulaska u katalitiĉki konvertor. Prva varijanta je bolja za konvertor jer smeša sagoreva pre konvertora i uz razvijenu toplotu uvodi u konvertor spolja. Druga varijanta greje konvertor iznutra, što je lošije, jer je grejanje sporije, a smeša tek po sagorevanju moţe da se neutrališe.

Upotreba pumpe za vazduh kod rada motora sa velikim snagama Posebna pumpa za dodavanje vazduha u izduvni sistem se uključuje i kad su veliki zahtevi za snagom motora*. Kada se od motora zahteva velika snaga, motor radi sa bogatijom/bogatom smešom,  < 1, s obzirom na svoju prirodu. Sa većim punjenjem i naroĉito većim brojevima obrtaja pogoršava se sastav i koliĉina otrovnih komponenti u izduvnim gasovima. Katalitiĉki konvertor radi u uslovima sa povećanom koliĉinom ugljovodonika (HC) i ugljenmonoksida (CO). (Azotni oksidi se ne stvaraju, bez obzira na termiĉko naprezanje motora, jer u bogatoj smeši nema kiseonika ni za stehiometrijsko sagorevanje). Pumpa za vazduh je odvojena od izduvnog sistema jednim ventilom, koji spreĉava tok izduvnih gasova ka pumpi kada je neaktivna. Ventil je jednosmeran (nepovratan) i protoĉan samo ka izduvnom sistemu, kad se otvori. Upravljan na bazi razlike u pritiscima, ili preko raĉunara elektriĉno ili pneumatski-elektriĉno. Signal kod zahteva za velikom snagom motora je pneumatski i dobija se iz usisnog voda, u kome sa povećanjem zahteva za snagu raste podpritisak. (Velika snaga se razvija na velikim brojevima obrtaja, pri kojima je velika brzina ustrujavanja i otvoren leptir WOT). Podpritisak se neposredno korisiti za otvaranje ventila ili se signal podpritiska vodi u raĉunar, koji upravlja radom ventila pumpe.

Grejanje konvertora dodatnim izvorima toplote •

Električni izvori UreĊaji koji direktno greju katalitiĉku površinu, smešteni su u samom konvertoru. (Snage oko 2kW). Snaga elektriĉnog izvora je oko 10 puta manja od snage koja se troši kod grejanja upravljanjem rada motora (oko 20kW) jer se katalizator greje direktno, a ne preko izduvnih gasova. Nedostatak: Potreban je jaĉi alternator i dodatni akumulator (jaĉa struja u vreme grejanja konvertora P=UI dobija se iz povećanog kapciteta akumulatora). Elektriĉni izvor za grejanje katalitiĉkog konvertora pogodan je za hibridna vozila, koja već imaju snaţne elektriĉne sisteme.

•

Izvori toplote sagorevanjem Posebni izvori toplote koji sagorevaju gorivo i produkte sagorevanja ubacuju u izduvni sistem pre katalitiĉkog konvertora. Imaju sopstvene sisteme za paljenje smeše i za kontrolu sastava smeše, da ne bi produkti sagorevanja samog grejaĉa imali toksiĉne sastojke i time dodatno opterećivali neugrejane katalitiĉke konvertore. Prednost: Nesagoreli sastojci iz motora sagorevaju (ako ima dovoljno kiseonika) kada se pomešaju sa toplim gasovama iz grejaĉa i manje toksiĉnih sastojaka odlazi u katalitiĉki konvertor.

Dodatni izvori za grejanje katalitičkih konvertora mogu se kombinovati sa merama za grejanje konvertora upravljanjem rada motora.

2010

Pretvaranje sile u moment Klip pritisnut silom, nastalom pritiskom gasa na gornju površinu klipa, kreće se pravolinijski (ili kruţno) u cilindru motora. Taktovi se ponavljaju u ciklusima, a kretanje klipa pretvara se klipnjaĉom u neprekidno obrtno kretanje kolenastog vratila. Ili: Transformaciju oscilatornog pravolinijskog kretanja klipa u obrtno kretanje kolenastog vratila vrši motorni mehanizam, ĉiji su glvi elementi klip, klipnjaĉa i kolenasto vratilo. Sa transformacijom kretanja klipa iz pravolinijskog u kruţno kretanje radilice transformiše se sila u kretanju (rad) u moment u kretanju. Dobijeni moment je dinamički – postoji dok ima obrtnog kretanja.

Klip i klipni prstenovi

Klip - Funkcija •

•

Prijem gasne sile i prenos sile na osovinicu Sa osovinice sila (deo) se prenosi na klipnjaĉu i odatle na koleno kolenastog vratila, dajući dinamiĉki obrtni moment. Moment se prenosi na zamajac motora i daje na korišćenje potrošaĉu. Oblikovanje prostora za sagorevanje Oblik gornje površine klipa odreĊuje zajedno sa kompresionim prostorom oblik prostora za sagorevanje. Vaţi i za oto i za dizel motore.

Deo toplote koju klip primi prenosi se na klipne prstenove i odatle na zidove cilindra, sa kojih ide na rashladnu teĉnost (60%). Ostatak toplote ide na osovinicu klipa i sa osovinice na klipnjaĉu, a deo sa plašta preko ulja odlazi u kućište motora. Klip je izložen jakim mehaničkim i toplotnim opterećenjima. Oštećenja klipa (najčešća) • Prskotine • Progorevanje • Zaribavanje Do prskotina i progorevanja dolazi usled toplotnog naprezanja na gornjoj površini klipa, a do zaribavanja dolazi zbog nedostatka podmazivanja na boĉnoj strani klipa.

Oblici klipa - osnovni

• Oblici glave (krune) klipa: Ispupĉen, udubljen i ravan • Oblici plašta tela klipa: Pun, smanjen manje i smanjen više

Karakterisitiĉni delovi klipa - šema 1. 2. 3. 4.

5. 6. 7. 8.

9.

Kruna ili glava klipa Pojas klipnih prstenova Plašt Kompresiona visina (koniĉnost), ispod je deo koji vodi klip u cilindru Osovinica Grebeni koje formiraju ţljebovi za klipne prstenove Ţljeb kompresionog prstena Ţljeb prstena sa funkcijom kompresije i struganja ulja Ţljeb za uljni prsten za razmazivanje i uklanjanjanje viška ulja sa otvorima za prolaz ulja

Konstruktivni oblik klipa •

Gornja površina Ravna, blago ispupĉena ili udubljena. U udubljenje moţe biti i ceo prostor za sagorevanje (dizel). Gornja površina klipa prima najveći deo toplote. • Prvi bočni greben (land) Ide boĉno od gornje površine klipa do prvog klipnog prstena (kompresioni). Nema kontakt sa zidom cilindra jer je zazor manji nego u zoni plašta, kojom se klip vodi u cilindru. U procepu izmeĊu cilindra i prvog grebena je potpuno sagorevanje nemoguće zbog hladnih zidova cilindra. Tu se stvaraju nesagoreli ugljovodonici HC. Ako na grebenu postoje ţljebovi po obimu*, njima se povećava zapremina u procepu, gas ekspandira i pritisak i temperatura gasa padaju. Toplotni štit za prvi prsten. Materijal koji potpuno popunjava zapreminu klipa od gornje površine do unutrašnje velike šupljine u klipu često se naziva “čelo” klipa. Smanjenje visine prvog grebena smanjuje masu ĉela klipa i smanjuje zapreminu procepa u kojoj se stvaraju nesagoreli ugljovodonici. MeĊutim, prvi klipni prsten je izloţen većem toplotnom naprezanju, jer je bliţi gornjoj površini klipa koja se najviše greje. Kod teĉnošću hlaĊenih motora prilazi bliţe vrhu bloka, zoni iznad nivo teĉnosti za hlaĊenje u bloku pa se manje hladi. (Gornja površina bloka). • Žljebovi za klipne prstenove Deo klipa na kom su ţljebovi takoĊe nema dodir sa zidom cilindra. Kod termiĉki opterećenih klipova (dizel) u prvi ţljeb se kod livenja stavlja prsten od sivog liva kao mehaniĉko ojaĉanje. Prsten se legira niklom i bakrom zbog izjednaĉenja toplotnog koeficijenta širenja sa materijalom bloka, i boljeg provoĊenja toplote. (Silumin* se pribliţno dva puta više širi od sivog liva). Najveći razmak - greben je izmeĊu prvog i drugog prstena. Ĉelo klipa se savija oko osovinice pod pritiskom gasne sile, pa se ĉesto ojaĉava rebrima koja idu od ĉela do ušica (―okaca‖). Čelo klipa, grebeni i žljebovi za klipne prstenove čine glavu ili krunu (crown) klipa.

Konstruktivni oblik klipa • •

Ušice za osovinicu (“okca”) Sluţe kao leţaj osovinice klipa. Ako je klip od silumina, klizna svojstva su dobra pa za osovinicu klipa nisu poterbni posebni klizni leţaji. Osovinica se okreće u ušici klipa. Plašt klipa Klip se plaštom oslanja na zid cilindra pod dejstvom normalne sile. Plašt vodi klip ne dopuštajući kontakt glave klipa sa zidom cilindra. Normalna sila se nalazi u ravni koja prolazi kroz osu osovinice klipa normalnoj na osu cilindra. Normalna sila je promenljiva po smeru zbog poloţaja klipnjaĉe i po intenzitetu zbog poloţaja klipa. Plašt nije potreban u pravcu ose osovinice klipa, jer normalna sila ne deluje u tom pravcu, niti se klip moţe okrenuti u ravni koju ĉine osovinica klipa i osa cilindra. (Drţi ga osovinica.) Zato se plašt sa te strane smanjuje, ĉime se smanjuje masa klipa i trenje plašta o zidove cilindra.

Radni zazor izmeĎu plašta i cilindra treba da bude minimalan, zbog najboljeg zaptivanja. Minimalna debljina sloja ulja za podmazivanje koja se ne ―kida‖ izmeĊu klipa (plašta) i zida cilindra je 5-10 µm (0.005-0.01mm). Po preĉniku je to 0.02mm, pa je zazor klipa i cilindra sa savremenom tehnologijom od 0.02-0.05mm. Smanjenje ispod minimalne debljine sloja ulja (0.005mm) dovodi klip u uslove polusuvog trenja. Da bi bilo odrţivo potrebno je na klip naneti presvlaku (coat), koja će smanjiti trenje izmeĊu zidova cilindra i klipa, naraslo usled nedovoljnog podmazivanja. Nedovoljno smanjeno trenje će u suprotnom, prvo izazvati povećane otpore kretanju klipa, a potom veće grejanje klipa, odnosno njegovo termiĉko naprezanje. Bez podmazivanja, klip će uvećati svoje dimenzije i zaglaviti u cilindru*. Ušice klipa i plašt klipa čine telo klipa.

Klip u preseku Gornja slika • Identifikaciona oznaka • Udubljenje za ventile • Ispupĉenje za prevrtanje (tumble) vazduha/smeše (dome) • Ušice i otvor za osovinicu • Ţljeb za aksijalni osiguraĉ osovinice klipa (plivajuća veza) • Plašt klipa (skirt) Donja slika • Grebeni izmeĊu prstenova • Ţljebovi za klipne prstenove

Klip u preseku Gornja slika • Glava klipa (gore) • Ţljebovi za klipne prstenove i grebeni (desno) • Kompresiona visina sa ţljebom za širenje gasa u toku takta ekspanzije i otvorima za prolaz viška ulja (levo) Donja slika • Udubljenj za ventile (gore) • Prolazi kroz klip (kanali) za višak ulja koji dolazi iz uljnog prstena (desno) • Kanal za ulje za podmazivanje osovinice klipa u ušici kipa (360° pun krug) (desno) • Ojaĉanje klipa oko ušica (dole levo) • Ušice klipa (dole)

Izrada i materijal klipa •

Izrada klipa – Livenjem u kokili* Termiĉko naprezanje klipa je najveće u gornjem delu klipa. Ulivaju se umetci i nosaĉi prstena. Umetci su od ĉelika. Smeštaju se u gornji deo klipa, u zoni leţaja osovinice, tako da smanjuju širenje klipa u pravcu osovinice klipa, u horizontalnoj ravni. (Smanjuju deformacije klipa usled toplotnog širenja klipa.) – Kovanjem u kalupu** Za opterećene nadpunjene dizel motore, jer kovanje daje bolja mehaniĉka svojstva od livenja. Ćesto presvuĉeni grafitom za smanjenje trenja.

•

Materijal Legura aluminijuma i silicijuma (silumin), za manje opterećene klipove. Ĉelik i liveno gvoţĊe, za više opterećene klipove.

Jednodelni i višedelni Klipovi su najĉešće jednodelni. Veliki brodski motori imaju dvodelne klipove sa glavm od ĉelika i telom od livenog gvoţĊa. Glava i telo se meĊusobno spajaju vijcima. Kroz kanale u klipnjaĉi se moţe dovoditi ulje za hlaĊenje ĉela i/ili glave klipa prskajem ulja spolja – po unutrašnjoj strani klipa. TakoĊe, ĉelo klipa moţe biti sa kanalima kroz unutrašnjost klipa, kroz koje prolzi ulje za hlaĊenje dovedeno kroz klipnjaĉu.

Mehaniĉka i toplotna naprezanja klipa U radu klip trpi dva osnovna mehaniĉka naprezanja i toplotno naprezanje: • Savijanje glave Pod pritiskom gasne sile ĉelo klipa se savija oko osovinice klipa. (Najmanji otporni moment preseka je oko osovinice). Mera klipa se povećava u pravcu osovinice. • Ugibanje plašta Pod pritiskom normalne sile na zid cilindra plašt se ugiba ka osi cilindra. Najveći ugib je na sredini raspona plašta prema osovinici klipa. Na strani normalne sile u taktu ekspanzije ugib je veći nego na strani normalne sile u taktu kompresije, jer je pritisak gasa veći za vreme ekspanzije (gasna sila) nego za vreme kompresije. Mera klipa se povećava u pravcu osovinice. • Toplotna dilatacija Usled grejanja klip se širi. Najviše toplote odlazi u ušice, jer su popreĉni preseci ka ušicama i oko njih veći zbog ĉvrstoće klipa. Mera klipa se povećava u pravcu osovinice.

Oblik klipa Oblik klipa u hladnom stanju napravljen je sa težnjom da u radu pod delovanjem mehaničkih i termičkih naprezanja klip dobije oblik najpribližniji cilindričnom. Glava klipa je prvenstveno konična, potom i ovalna. Ĉelo klipa je masivno i kruto pa gornja površina nema ovalnost, nego je kruţna. Najviše se greje gornja poršina klipa i ĉelo klipa jer je iznad prostor za sagorevanje. Spuštajući se niz glavu klipa temperature padaju. Stoga je glava klipa koniĉna (zarubljena kupa), a koniĉnost se širi od glave prema plaštu i ide do plašta. Takodje raste i ovalnost, tako da su mere klipa manje u pravcu osovinice nego u pravcu normalnom na osovinicu. (Klip je ―spljošten‖ u pracu osovinice). Plašt klipa je ovalan i buričast. Ovalnost klipa naglo raste na poĉetku plašta, ispod prstena za razmazivanje i skidanje viška ulja. Najveća ovalnost je u visini osovinice klipa i malo ispod nje, na mestu gde je normalna sila najveća. Idući dalje niz plašt, temperatura plašta opada, pa se ovalnost smanjuje. Tako klip, osim ovalnosti, dobija i “buričast” oblik. Najveće pribliţenje cilindriĉnom obliku postiţe se pri najvećim naprezanjima za koje je motor u radu predviĊen. Što su naprezanja motora manja, odstupanje od cilindriĉnog oblika klipa u radu je veće.

Autotermiĉki klipovi Ideja autotermiĉkih klipova je upravljanje ovalizacijom klipa pri promenljivoj radnoj temperaturi. Zamisao se zasniva na tome da se spreĉi toplotno širenje (plašta) klipa u pravcu upravnom na osovinicu klipa, tako što će se usmeriti u pravac osovinice klipa. Radni zazor upravno na osovinicu klipa – na strani naslanjanja klipa na zid cilindra se time održava u što užim granicama. Toplotna dilatacija se upućuje u pravcu osovinice klipa, jer se tamo klip ne naslanja na zid cilindra. Budući da tu nema pritiska, podmazivanje nije direktno ugroţeno. U primeni su • Prorezi u klipu Prorezi u obliku slova ―П‖ se postavljaju tako da grade prolaz toplote sa glve klipa premaplaštu i usmeravaju toplotu prema ušicama klipa. Nisu dovoljni i slabe mehaniĉku ĉvrstoću klipa izmeĊu glave i plašta klipa. (Starija rešenja). • Uliveni prsten Ĉeliĉni prsten umeće se u klip sa unutrašnje strane klipa kod livenja u visini poĉetka plašta – ispod uljnog prstena i iznad osovinice. Prsten smanjuje ukupno širenje plašta jer ĉelik ima manji koeficijent širenja od silumna. Pri tom se prsten ne izduţuje po obimu, ali se deformiše po krugu. Prsten širi u pravcu osovinice klipa, jer se ušice više greju, što povlĉi skupljanje u pravcu upravnom na osovinicu klipa. • Uliveni umetci (bimetal) U oblasti ušica klipa postavljaju se metalne ploĉice kod livenja. Zajedno sa ušicama i masom klipa oko ušica grade bimetal. Kod grejanja klip se oko ploĉica širi više (silumin), a ploĉice manje (ĉelik). Dolazi do savijanja bimetala. Sredina se širi u pravcu osovinice, a krajevi krive tako da smanjuju meru u pracu normalnom na osovinicu. Samnjenje mere bimetalom i termiĉka diltacija se kompenzuju i klip zadţava meru. Zato su efekti odrţavanja konstantnog zazora plašta i cilindra bimetalom vrlo dobri u celoj oblasti temperatura, od hladnog klipa do klipa na radnoj temperaturi.

Sile koje deluju na klip •

• •

Gasna sila Nastaje usled pritiska gasova i deluje na gornju površinu klipa, u pravcu ose cilindra. Razlaţe se na komponentu sile u pravcu klipnjaĉe – sila na klipnjaĉu, i komponentu upravnu na zid cilindra – normalna sila. Inercijalna sila Deluje nasuprot kretanju (ubrzanju) klipa. Centar masa klipa nalazi se u glavi klipa jer ĉelo klipa ima najveću masu. Sila trenja –

–

Otpor trenja u ulju IzmeĊu klipa i cilindra (plašta) nalazi se ulje za podmazivanje. Graniĉni slojevi ulja nalaze se na zidu cilindra i plaštu klipu, za koje su zalepljeni adhezijom. Klip se kreće u cilindru i u kretanju povlaĉi svoj graniĉni sloj ulja. Istovremeno, graniĉni sloj ulja zalepljen za cilindar stoji. Dolazi do smicanja slojeva ulja izmeĊu graniĉnih slojeva na klipu i cilindru. Pri smicanju u ulju deluju viskozne sile izmeĊu tankih slojeva ulja u relativnom kretanju jednog sloja u odnosu na drugi sloj ulja i stvaraju otpor trenja nasuprot kretanju klipa.* Otpor trenja klipnih prstenova Uljni prsten radi u uslovima mokrog trenja, kombinovani u uslovima polusuvog trenja, a kompresioni u uslovima suvog trenja. Kompresioni prsten daje najveći otpor trenja i stvara i najveće habanje zidova cilindra.

Razlaganje gasne sile vrši se po pravilu paralelograma za vektore u pravcu klipnjaĉe i zida cilindra: • Sila na klipnjači Klip prenosi dejstvo gasne sile na osovinicu, odatle na klipnjaĉu, odakle ide na koleno kolenastog vratila, dajući obrtni moment. • Normalna sila Pritiska klip upravno na zid cilindra. Menja smer (i intenzitet) i premešta klip u cilindru u ravni klipnjaĉe.

Ekscentricitet osovinice klipa Normalna sila i inercijalna sila klipa izazivaju zaokretanje klipa oko osovinice u cilindru kada klip menja smer kretanja pri prolasku kroz SMT. Normalna i inercijalna sila stvaraju moment koji zaokreće klip u cilindru oko osovinice. •

Centrično postavljena osovinica klipa Dodir sa cilindrom posle SMT ostvaruje prvo donja ivica klipa na strani normalne sile kad ekspanzija poĉne. Zaokrenut klip u kretanju ka UMT donjom ivicom struţe ulje sa zida cilindra. U daljem kretanju ka UMT raste gasna sila, sa njom i normalna sila. Kada se normalna sila poveća u dovoljnoj meri, moment nastao izmeĊu osovinice i donje ivice klipa, naslonjene na cilindar, premešta ceo klip na stranu normalne sile. Najbrţe se prema zidu cilindra kreće gornja ivica klipa, jer je donja ivica naslonjena na zid cilindra niz koji klizi ka UMT. Klip udara o zid cilindra na kome nema ulja i izaziva zvuk: ―Zvonjava klipa‖. Raste sila trenja, jer nema ulja izmeĊu zida i cilindra. Povećava se habanje klipa na strani normalne sile. Buka motora je najveća kod hladnog motora, jer su onda zazori izmeĊu klipa i cilindra najveći, pa je i zaoketanje i premeštanje klipa najveće.

•

Ekscentricitet osovinice klipa Pomera se osovinica klipa iz ravni simetrije klipa u smeru normalne sile u taktu ekspanzije. Površinu na koju deluje gasna sila sa jedne i druge strane osovinice postaje nejednaka. Moment sile i kraci koje stvaraju nejednake površine sa jedne i druge strane osovinice pod pritiskom gasa nije više uravnoteţen. Pod uticajem razlike momenata gasne sile oko osovinice nastaje rezultujući moment koji zaokreće klip pre dolaska u SMT. Sada donja ivica klipa povlaĉi ulje u kretanju klipa ka SMT. Kada klip proĊe SMT i normalna sila u taktu ekspanzije naraste klip se premešta na stranu normalne sile i udara o zid cilindra na kome je sloj ulja. Ulje prima udar klipa i amortizije ga svojim viskoznim silama.

Ekscentricitet kolenastog vratila Pomera se osa kolenastog vratila iz ravni simetrije cilindara u smeru suprotnom od smera normalne sile u taktu ekspanzije. Kolenasto vratilo zauzima manji ugao prema vertikali u taktu ekspanzije. Zbog manjeg ugla prema vetikali smanjuje se • Sila klipnjaĉe • Normalna sila Time se postiţe: • Klipnjaĉa se rasterećuje Mehaniĉko naprezanje klipnjaĉe se smanjuje • Trenje klipa (plašta) o zidove cilindra se smanjuje Smajenjem trenja poboljšava se efikasnost motora jer manje rada odlazi na savladavanje trenja i produţava vek trajanja motora. Snaga motora raste jer se za iste momente povećava broj obrtaja. Veliĉina ekscentriciteta kolenastog vratila je obiĉno (10-15) mm.

Klip, klipni prstenovi i cilindar

Delimičan presek, radijalno, preko klipa, klipnih prstenova i cilindra u kretanju klipa ka UMT Ţutom bojom je prikazano kretanje ulja za podmazivanje: Po zidu cilindra, višak ulja iza uljnog klipnog prstena u ţljebu odlazi kroz prorez u klipu (piston window) natrag u korito (karter) motora. Boĉni kanal uljnog prstena je na šemi nepopunjen uljem. U stvarnosti on je uvek popunjen uljem, zbog ĉega i postoji. Višak ulja prolazi kroz radijalne proreze prstena i takoĊe se vraća kroz klip u korito motora. Ulje prolazi i iznad uljnog prstena, ka prstenu strugaĉu. Usled pumpnog dejstva prstenova ulje prolazi i iza kompresionog prstena i odlazi u prostor za sagorevanje. Ulje na zidove cilindra dospeva prskanjem iz velike pesnice klipnjaĉe, ĉije se leţište podmazuje pod pritiskom. Velika pesnica vrši kruţno kretanje, pa se ulje raznosi u gornje sfere pod uticcajem centrifugalne sile.

Klipni prstenovi – funkcija •

Zaptivanje Zatvaraju prolaz gasovima izmeĎu radnog prostora i kućišta Iz radnog prostora u kućište pored klipa u taktovima ekspanzije, kompresije i izduvavanja, kada je pritisak u radnom prostoru veći nego u kućištu, i iz kućišta u radni prostor u taktu usisavanja (manji pritisak u radnom prostoru). • Podmazivanje Formiraju ravnomeran sloj ulja za podmazivanje Razmazuju ulje po zidovima cilindra i omogućavaju podmazivanje izmeĊu plašta klipa i zida cilindra – smanjuju trenje. Razmazivanje vrše preko boĉnog kanala po svom obimu u koji se deponuje ulje pri kretanju klipa. • Uklanjanje viška ulja Propuštaju višak ulja izmeĎu plašta klipa i cilindra Iz kanala prstena za razmazivanje višak ulja iz cilindra prolazi kroz radijalne proreze u prstenu prema klipu i potom prolazi kroz radijalne proreze u klipu u unutrašnju šupljinu klipa, odakle odlaze u korito motora. (Uljni.) Stružu ulje sa zidova cilindra ispod grebena kompresionog prstena Spreĉavaju da ulje ode u radni prostor gde mali deo ipak stiţe i sagoreva. (Kombinovani prsten.) Dodatne funkcije (neke) • OdvoĎenje toplote sa klipa Hlade klip sa kojim su u kontaktu i od koga dobijaju toplotu. Deo toplote odlazi kroz prstenove na zid cilindra i kroz zid cilindra na rashladni fluid, a deo toplote odvodi ulje za podmazivanje u kućište, povišavajući temperaturu ulja. • Stabilizacija klipa Uĉestvuju u voĊenju klipa preko ţljebova jer se oslanjaju na zidove cilindra koji im odreĊuju poloţaj.

Klipni prstenovi – vrste Prema funkciji zaptivanja cilindra i podmazivanja klipa i cilindra postoje prsteni (samo): • Kompresioni • Uljni Ipak, nije moguće lako preći sa funkcije zaptivanja na funkciju podmazivanja. Stoga, izmeĊu kompresionog i uljnog prstena se skoro uvek nalazi i prsten koji ima dve funkcije – kombinovani prsten. Uljni prsten ne moţe efikasno razmazivati ulje i istovremeno uklanjati ulje ispod kompresionog prstena. Kompresioni prsten uĉestvuje u formiranju prostora za sagorevanje pa se greje intenzivno. Kontakt ulja sa kompresionim prstenom nije poţeljan. Kombinovani prsten sa gornje strane zaptiva kompresioni prostor zajedno sa kompresionim prstenom, a sa donje strane skida ulje sa zidova cilindra, radi kao strugaĉ ulja. Dvofunkcijski prsten nema proreze na svom telu kao uljni. Umesto toga, njegova gornja površina je ravna i u funkciji zaptivanja gasova, a njegova donja površina je kljunasta u preseku i u funkciji struganja ulja sa zida cilindra. Kljun je okrenut prema kućištu motora, odnosno prema uljnom prstenu koji je ispod kombinovanog prstena. Ulje se sa zidova cilinda struţe kljun u kretanju klipa prema UMT.

Klipni prstenovi u ţljebovima klipa Klipni prstenovi moraju imati slobodu kretanja u svojim žljebovima. Ako se prstenovi iz nekog razloga zaglave u ţljebovima, oni postaju celina sa klipom. Pritisak klipa na zidove cilindra ne prenosi se tada preko plašta klipa, nego preko klipnih prstenova. Dolazi do intenzivnog trenja izmeĊu klipnih prstenova i zidova cilindra. Raste mehaniĉko i termiĉko naprezanje, usled ĉega se klipni prstenovi i zidovi cilindra intenzivno habaju.

Kada kombinovani prsten izgubi funkciju zaptivanja ili struganja ulje sa zida cilindra u taktu ekspanzije dolazi u kontakt sa kompresionim prstenom i vrelim gasovima, zbog ĉega je izloţeno degradaciji. Kompresioni prsten radi praktiĉno u uslovima suvog trenja, pa je habanje cilindra u domenu njegovog kretanja najveće u odnosu na druge klipne prstenove.

Klipni prstenovi u ţljebovima klipa •

Bočni zazor

Bočni ili aksijalni zazor omogućava slobodu kretanja prstena u žljebu u pravcu ose cilindra. Aksijalno kretanje prstenova u ţljebu je kretanje u pravcu ose prstena, odnosno ose cilindra. Nastaje pri promenu smera kretanja klipa u SMT posle izduvavanja, na prelasku na usisavanje. Prstenovi usled trenja o zidove cilinda i sopstvene inercije, pri kretanju klipa, sa donje boĉne površine ţljeba klipa prelaze na gornju. U dolasku u UMT, posle usisavanja, a na poĉetku sabijanja, takoĊe zbog inercije i trenja, prelaze na donju boĉnu površinu ţljeba klipa. Prevelik bočni zazor povećava udarnu energiju klipa na klipne prstenove koji stoje na zidovima cilindra pri promeni smera kretanja klipa u SMT/UMT. Klip i prsten se sudaraju pri prelasku prstena sa jedne na drugu boĉnu površinu ţljeba. Raste habanje boĉnih površina klipnih prstenova i boĉnih površina ţljebova i aksijalni zazor izmeĊu prstenova i ţljebova se povećava. Jaki udari mogu izazvati talasastost boĉnih površina ţljeba i time trajan gubitak zaptivanja. Premali bočni zazor smanjuje udarnu energiju klipa na klipne prstenove što slabi efekat istiskivanja ulja iz ţljeba. Ako se ulje ne istisne iz ţljeba – ne kreće, pod uticajem toplote koju dobija od klipa ulje poĉinje da se zgušnjava. Kad zgusnuto ulje u ţljebu oko prstena otvrdne (koksovanje), prsten gubi sposobnost pomeranja, (zapekne), posle ĉega nastaje intenzivno habanje prstena i cilindra. Najugroţeniji je kompresioni prsten, jer je temperatura klipa oko njega najviša, a hladjenje najslabije.

Klipni prstenovi u ţljebovima klipa •

Poprečni zazor

Poprečni ili radijalni zazor omogućava slobodu kretanja prstena u žljebu klipa u pravcu poluprečnika cilindra. Klipni prstenovi usled sopstvene radijalne elastiĉne sile naleţu na zidove cilindra. Klip u kretanju prelazi sa jedne strane cilindra na drugu, pod uticajem normalne sile, jer je normalna sila promenljivog smera (istog pravca). Klipni prstenovi se ne kreću radijalno, jer se oslanjaju na zid cilindra, ali se klip kreće radijalno, jer postoji zazor izmeĊu klipa i cilindra. Time se ostvaruje relativno kretanje prstenova u ţljebovima u odnosu na klip u radijalnom – popreĉnom pravcu. Premali poprečni zazor može dovesti klip prilikom termičkog širenja u neposredan kontakt sa prstenom. (Dno ţljeba klipa i unutrašnja strana prstena). Rezultat je radijalni pritisak klipa na prsten i time prstena na zid cilindra. Prsten se i izvija na mestu kontakta i boĉna površina ţljeba prestaje da ga vodi. Nastaje intenzivno habanje prstena.

Klipni prstenovi u ţljebovima klipa I bočni i poprečni zazor sa porastom povećavaju pumpno dejstvo klipnih prstenova jer rastu protočni preseci kroz žljeb klipa. Time raste količina ulja koja dolazi u prostor za sagorevanje motora i sagoreva u procesu sagorevanja. Ranije je ideja bila da prstenovi treba što više da pritiskaju cilindar da bi se sigurno ostvarilo dobro zaptivanje. MeĊutim, to povećava trenje i habanje. Sada je ideja da prstenovi imaju što manji pritisak na zidove cilindra u cilju smanjenja trenja, a da pri tom zadrţe funkciju zaptivanja i/ili podmazivanja. Smanjenje trenja povećava snagu motora (motor lakše dostiţe više brojeve obrtaja) i štedi gorivo uz istovremeno smanjenje habanja prstenova i zida cilindra. Produţava se vek trajanja motora. Zbog smanjene elastiĉne radijalne sile prstenova potrebno je da cilindri budu taĉnog kruţnog popreĉnog preseka, inaĉe će zaptivanje prstenova izostati, a uparivanje prstenova i zida cilindra u razradi trajati dugo. TakoĊe, radijalna eleastiĉna sila prstenova mora biti taĉno odreĊena. Deformacije bloka prilikom obrade cilindara i kod sklapanja sa glavom motora utiĉu na odstupanje cilindara od kruţog popreĉnog preseka. Da bi se spreĉile, povećava se krutost bloka u toku obrade cilindara tako što se cilindri obraĊuju sa krutom ploĉom sa otvorima, postavljenom na mestu glave motora. Ploĉa se priteţe za blok na meru pritezanja glave. Povećana krutost bloka pri obradi odgovara najpribliţnije radnim uslovima, kad je na blok postavljena i pritegnuta glava motora. Deformacije bloka, koje izaziva glava pri montaţi su minimizirane, a popreĉni preseci cilindra najpribliţniji kruţnom preseku (najmanja ovalnost i koniĉnost cilindra ).

Klipni prstenovi i zaptivanje Ne postoje klipni prstenovi koji mogu potpuno da spreče prolaz gasova iz prostora za sagorevanje u kućište i obratno. Razlog je jednostavan: Klipni prstenovi moraju imati slobodu kretanja u ţljebovima da ne bi zapekli. Ĉim postoje zazori izmeĊu klipa i prstenova mora postojati i propuštanje gasova. Prema tome: Postoji samo mera do koje je zaptivenost dobra. Loša zaptivenost daje sledeće efekte: •

• •

• •

Gubitak snage motora Gubitak pritiska u ekspanziji i u kompresiji daje manje rada u pV dijagramu. Povećana potrošnja ulja Veći pumpni rad i usisavanje ulja u prostor za sagorevanje Pogoršanje kvaliteta ulja Vreli gasovi produkata sagorevanja prolaze u kućište i termiĉki deluje na ulje. Gorivo iz smeše iz prostora za sagorevanje prolazi u kućište i menja sastav ulja. Ulje gubi na svojstvima podmazivanja i na viskozitetu (razreĊuje se). Lošije podmazivanje povećava trenje i smanjuje vek trajanja motora. Lošiji sastav izduvnih gasova Previše ulja upumpanog klipnim prstenovima u prostor za sagorevanje pogoršava emisiju. Sagorelo ulje nepovoljno deluje i na katalitiĉke konvertore. Povećana količina gasova u kućištu Kroz odušak za ventilaciju kućišta motora povećava se protok (positive crankcase ventilation (PCV) ). Uljne pare iz oduška se ne vode u atmosferu, već se recirkuliš u usisisni sistem*.

Klipni prstenovi i produvavanje Merenje produvavanja (blow-by) •

•

Protokomerom Merenjem protekle zapremine gasova u vremenu koja iz prostora za sagorevanje pored klipnih prstenova prolazi u kućište*. Merenje se moţe vršiti u celom opsegu brzina motora. Vrši se za grupu cilindara, odnosno ceo motor. Ne moţe se utvrditi produvavanje pojedinog cilindra jer je odušak na zajedniĉkom kućištu motora. Na većim brojevima obrtaja zaptivanje je bolje, odnosno produvavanje je manje. Vreme za produvavanje je kraće, a inercijalne sile i pritisci pojaĉavaju silu kojom se klipni prstenovi naslanjanju na boĉne površine ţljebova. Moţe se utvrditi da li klipni prstenovi ―lepršaju‖ u ţljebovima: Ukoliko u nekom opsegu produvavanje poraste, onda klipni prstenovi u tom opsegu brzina ne naleţu dobro na donju boĉnu povšinu ţljeba. Protokomerom se ekperimentalno tačno može utvrditi najbolji položaj – orijentacija krajeva klipnih prstenova sa i bez proreza, veličina i meĎusoban odnos proreza pojedinih prstenova i način završne obrade cilindra (honovanje) za minimalno produvavanje. Manometrom Merenjem vremena u kom pada pritisak u cilindru. Statiĉki metod: Pritisak ne sme da opadne sa polazne na minimalnu zadatu vrednost za zadato maksimalno vreme pritisak.** Klip cilindra se postavi u SMT gde su konstruktivni zazori najveći i ishabanost najvveća, sa zatvorenim ventilima (cilindar na paljenju), a ureĊaj prikljuĉi u otvor svećice. Pritisak vazduha se ostvaruje spolja (kompresor). Vazduh koji izlazi moţe se ĉuti u usisinoj grani (curenje na usisnom ventilu), izduvnoj grani (curenje na izduvnom ventilu) i/ili u kućištu motora, odnosno odušku – curenje pored prstenova. Merenje se vrši za svaki cilindar, (obiĉno redosledom paljenja) i otuda se moţe utvrditi stanje svakog pojedinog cilindra. Ako je glava skinuta, iskljuĉuju se ventili, ĉime se merenje izoluje na propuštanje klipnih prstenova.

―Produvavanje‖ – propuštanje gasova pod pritiskom pored klipnih prstenova

Crvena linija prikazuje prolaz gasova u taktu ekspanzije – produvavanje pored klipnih prstenova. Do produvavanja dolazi usled neravnomernog naleganja klipnih prstenova na zidove cilindra (ovalnost cilindra, prstenova ili i cilindra i prstenova). Uzroci ovalnosti: Obrada cilindara, prstenova, habanje cilindra i prstenova. Ipak, najznaĉajniji gubitak pritiska je kroz prolaz imeĊu krajeva klipnih prstenova (oko 80% od ukupnog gubitka). Zato je potebno da izmeĊu krajeva klipnih prstenova radni zazor bude što manji. MeĊutim, ne sme se dopustiti da radni zazor ne postoji, jer će se termiĉkim naprezanjem krajevi prstena meĊusobno pritisnuti i u teţnji da se dalje šire, povećati radijalni pritisak na zidove cilindra. Prsten se deformiše, a trenje raste. (Sl.221)

Merni ureĊaji za ―produvavanje‖ i ―curenje‖

Protokomer za merenje protoka izduvnih gasova (levo) i manometar za merenje zaptivenosti (desno)

Klipni prstenovi i prorez/peklop na krajevima klipnih prstenova •

•

Prorez ili preklop na krajevima klipnih prstenova Mora da postoji da bi klipni prstenovi mogli da se šire usled zagrevanja. Potrebno je da prorez bude što manji, jer na njegovom mestu ne postoji zaptivenost radnog prostora. Gasovi prolaze kroz prorez. Prsten sa preklopom takoĊe ima krajeve prstena na preklopu. Veličina proreza/preklopa treba da je takva da ni pri najvećim termiĉkom naprezanjima motora, ukljuĉujuĉi i pregrevanje, ne doĊe do kontakta krajeva prstenova. Ako do kontakta doĊe, daljim termiĉkim širenjem krajevi prstena se odupiru jedan o drugi, prsten povećava pritisak na zidove cilindra i izvija se u ţljebu. Trenje o zid cilindra raste i gubi se sloboda prstena u ţljebu. Prsten i cilindar se habaju više, ulje se ne istiskuje iz ţljeba i sledi blokada prstena (prsten zapekne). Kod prstena sa preklopom (gapless) postoji veća sloboda u razmaku krajeva prstena. Oblik proreza Strane proreza treba da budu u ravni koja prolazi kroz osu prstena, a ako su zakošene, onda meĊusobno moraju biti paralene. Geometrijski, sastavljeni krajevi prstena moraju imati kontinuitet kao da proreza nema. Takav uslov omogućava najmanji zazor, odnosno najveće pribliţenje krajeva klipnih prstenova.

Krajeve prstenova treba obraĎivati mašinski ako je potrebno naknadno podešavanje zazora krajeva prstena. Ruĉna obrada ne moţe dati zahtevanu geometriju krajeva prstena, odnosno proreza.

Klipni prsten ―bez proreza‖

Klipni prsten ―bez proreza‖

Način zaptivanja proreza: Gas pod pritiskom prolazi iznad voĊice i izmeĊu krajeva prstena u ţljeb klipa. Pritisak gasa na prsten sa zadnje vertikalne strane radijalno pritiska prsten na cilindar. Istovremeno prsten pritiska voĊicu na zid cilindra i voĊica spreĉava prodor gasova kroz prorez prema kućištu. Propuštanje gasova zavisi od veliĉine pritiska u cilindru i sa njim raste kod klasiĉnog prstena. Kod prstena sa preklopom porast pritiska sa porastom opterećenja motora daće i porast radijalnog pritiska prstena i voĊice i obrnuto. To znaĉi da se prstenovi sa preklopom mogu izraĊivati sa manjim sopstvenim radijalnim silama pritiska jer imaju regulisanu promenu pritiska na zid cilindra sa promenom opterećenja motora. Promenljiv radijalni pritisak samanjuje trenje u proseku i time produţava vek trajanja motora. (Konstantan radijalni pitisak kod prstena sa prorezom mora biti takav da ostvari dobro zaptivanje pri punom opterećenju, pa je pri delimiĉnim opterećenjima veći nego što treba, sa njim i trenje.) Sa habanjem ―klasiĉnog‖ prstena sa prorezom veliĉina proreza raste, a sa njim i produvavanje. Kod preklapanja proreza kao na slici, put gasu ostaje zatvoren i kod istrošenja prstena, jer se bez obzira na razmicanje krajeva prstena voĊica uvek zatvara prolaz gasu.* Prorez na krajevima prstena je glavni uzrok produvavanja.

Klipni prstenovi i meĊusobni odnos veliĉine proreza MeĎusobna veličina proreza prvog prstena (kompresioni) i drugog prstena (kombinovani) mora da bude usklaĎena sa propusnošću izduvnih gasova. U taktu ekspanzije i taktu kompresije potrebno je da kompresioni prsten leži na donjoj bočnoj strani žljeba, kako bi se ostvarilo dobro zaptivanje radnog prostora. Ovaj uslov će biti ispunjen ako pritisak ispod kompresionog prstena nije toliki da, sabran sa inercijalnom silom prstena i silom trenja prstena o zid cilindra, izazove odizanje prstena sa donje boĉne površine ţljeba. Ideja o što manjem prorezu na krajevima svakog prstena, kako bi se što više poboljšalo zaptivanje je ustupila mesto drugoj ideji: Prorez na kombinovanom prstenu treba da ima takvu propusnost gasa da onemogući povećanje pritiska ispod kompresionog prstena do mere odizanja kompresionog prstena sa donje bočne površine žljeba klipa. Dovoljna propusnost gasova kroz prorez kombinovanog prstena ostvaruje se većim relativnim zazorom njegovih krajeva u odnosu na zazor izmeĎu krajeva kompresionog prstena. Red veliĉine smanjenja pritiska: Ispod prvog klipnog prstena (kompresioni) pritisak je 25% od pritiska u prostoru sagorevanja, ispod drugog 10%, ispod trećeg 2-3%.

Merenje proreza i dorada krajeva prstena za ostvarenje potrebne veliĉine proreza*

Postavljanje klipnog prstena u ţljeb klipa*

Polazni oblik i materijal za isecanje klipnih prstenova

Klipni prstenovi i orijentacija krajeva prstenova u klipu Faktori koji odreĎuju orijentaciju klipnih prstenova •

• • • • •

•

Zaptivanje radnog prostora nepotpuno je već po definiciji Nema idealnog zaptivanja: Klipni prstenovi nuţno moraju biti slobodni u ţljebovima, pa će uvek biti propuštanja gasa i gubitaka pritiska izmeĊu radnog prostora cilindra i kućišta motora (u oba smera u zavisnosti od takta koji se odvija). Najbolje zaptivanje treba da bude u taktu ekspanzije, jer je to radni takt, pritisci u njemu najveći, time i gubici prtiska. Klip na površinu cilindra pritiska normalna sila u taktu ekspanzije i kompresije. Put gasa izmeĎu prstenova koji prolazi kroz prorez jednog klipnog prstena oko grebena do proreza drugog klipnog prstena treba da je najduţi. Geometrija klipa je takva da je zazor najveći u blizini krajeva osovinice klipa, a najmanji u pravcu normalne sile – upravno na osovinicu klipa. Vodeća površina klipa je na strani normalne sile. Krajevi prstenova čine diskontinuitet (prekid prstena) pa je habanje po izvodnici cilindra izmeĊu krajeva prstena i u blizini krajeva prstena neravnomerno. Krajevi prsteba vrše veći radijalan pritisak na zid cilindra od pritiska sredine prstena. I klipni prstenovi ―bez proreza‖ imaju svoje krajeve, pa to vaţi i za njih, iako u manjoj meri. Klipni prstenovi drže upravnost prema osi cilindra, ne prema osi klipa. Habanje ţljeba klipa je veće i neravnomernije izmeĊu i oko krajeva prstenova. Klip se premešta sa jedne strane cilindra na drugu pod dejstvom normalne sile, dok se prstenovi oslanjaju na zid i taru oţljeb. Klip se i zaokreće u SMT/UMT usled inercije. Najveće put pri zaokretanju je na pravcu upravno na osovinicu klipa, na sredini raspona osovinice, gde je polupreĉnik rotacije njveći, a najmanji u blizini krajeva osovinice, oko koje se klip okreće.

Klipni prstenovi i orijentacija krajeva prstenova u klipu •

Orijentacija krajeva/proreza kompresionog prstena Kompresioni prsten ima prvenstvo u orijentaciji proreza u odnosu na ostale prstenove, jer zaptivanje kompresionog prostora, posebno u radnom taktu, ima prednost. Tada su pritisci u cilindru najveći, tim i razlika pritisaka u odnosu na okolinu, poslediĉno i najveći gubici pritiska (rada). Zatvaranje proreza telom klipa treba da bude najveće u taktu ekspanzije Biće najveće ako se prorez stavi na stranu normalne sile u taktu ekspanzije, gde klip naleţe. Pri tom vaţi: Prorez se ne postavlja u visini sredine osovinice klipa, jer Habanje cilindra je neravnomerno izmeĊu krajeva prstena i u blizini krajeva prstena, zbog proreza prstena i neravnomernosti sila radijalnog pritiska oko krajeva prstena. Po izvodnicama zida cilindra nastalo bi ispupĉenje izmeĊu krajeva prstena i udubljenje oko krajeva prstena. Upravo po ovim izvodnicama se kreće plašt klipa, pa bi specifiĉan (jediniĉan) pritisak na mestu ispupĉenenja cilindra bio veći sa opasnošću od kidanja filma ulja za podmazivanje. Habanje žljeba klipa krajevima prstena bilo bi takoĊe najveće. Polupreĉnik zaokretanja klipa je najveći kod premeštanja klipa sa jedne na drugu stranu cilindra. Klipni prstenovi uĉestvuju u stabilizaciji klipa i voĊenju klipa, jer se oslanjaju na cilindar, pa je potreban kontinuitet na mestu najvećeg zaokretanja klipa. Prorez se ne postavlja pored kraja osovinice klipa, jer Radni zazor izmeĊu klipa i cilindrta je najveći i kod hladnog klipa i kod klipa zagrejanog na radnu temperaturu na krajevima osovinice, zbog ovalnosti klipa. Zatvaranje proreza telom klipa bilo bi najmanje. Najmanji zazor se u pravcu osovinice klipa postiţe tek pri maksimalnoj radnoj temperaturi, ali je i tada veći nego na strani naleganja klipa – u pravcu normalne sile, (rezerva zazora za pregrevanje motora) gde klip naleţe u taktu ekspanzije. Izvodnica cilindra u pravcu normalne sile je linija po kojoj plašt klizi i vodi klip u cilindru. Ispod kompresionog prstena je pritisak oko 25% od pritiska u kompresionom prostoru u taktu ekspanzije.

Klipni prstenovi i orijentacija krajeva prstenova u klipu Prema tome:

Prorez kompresionog prstena treba orijentistati tako da je: • •

•

Na strani normalne sile taktu ekspanzije: Zasenĉenje zazora naleganjem klipa Dalje od vodeće površine klipa: Plašt klipa ne sme imati povećan specifiĉan pritisak. Dalje od kraja osovinice klipa: Zatvaranje proreza telom klipa je najmanje kod krajeva osovinice

Prethodni uslovi definišu ugao manji od 90 stepeni, simetriĉno postavljen izmeĊu pravca/smera normalne sile u taktu ekspanzije i ose osovinice klipa. Taĉno mesto krajeva prstena je na izvodnici cilindra na kojoj zbog ovalnosti klipa poĉinje da se udaljava plašt klipa od zida cilindra. Ovo raĉunato za puno opterećenje motora. Sa ovako orijentisanim krajevima prstena plašt klipa ne klizi po neravnini, a telo klipa maksimalno zatvara (zaklanja u pogladu iz kompresionog prostora) prorez prstena. Brojĉano, to je (15-45)° ugla mereno od kraja osovinice klipa, na strani normalne sile u taktu ekspanzije. Svejedno je prema kom kraju osovinice klipa se prorez postavlja, na strani zamajca ili na strani razvoda. Koliko taĉno u datom intervalu od 30 stepeni zavisi od konstrukcije i termiĉkog širenja klipa prema cilindriĉnom obliku, o ĉemu taĉne podatke moţe dati samo proizvoĊaĉ.

Klipni prstenovi i orijentacija proreza u klipu* •

Orijentacija krajeva/proreza kombinovanog prstena Kombinovani prsten se orijentiše po istom principu kao i kompresioni prsten, s tim da Prorez ima najveće zatvaranje telom klipa na strani normalne sile u taktu kompresije. Kombinovani prsten će tako ostvariti najbolje zaptivanje u taktu kompresije. Od dva moguća poloţaja u odnosu na osovinicu prorez se postavlja zaokrenut 180 stepeni po krugu u odnosu na kompresioni prsten (―suprotna strana‖), jer Put gasa koji proĊe kroz prorez kompresionog prstena do proreza kombinovanog prstena biće najduţi Inercijalne sile prstenova, kompresionog i kombinovanog, biće najbolje uravnoteţene.

Ispod kombinovanog prstena pritisak je oko 10% od pritiska u kompresionom prostoru. •

Orijentacija krajeva/proreza uljnog prstena Uljni prsten se orijentiše tako da je Prorez uljnog prstena na strani suprotnoj od smera normalne sile u taktu ekspanzije. Podmazivanje izmeĊu klipa i cilindra treba da je ravnomerno na strani normalne sile u taktu ekspanzije. Tada su pritisci plašta klipa na zid cilndra najveći u odnosu na ostale taktove. Vertikalna uljna pruga, nastala izmeĊu krajeva prstena, odlazi na suprotnu stranu od normalne sile. Prorez uljnog prstena se postavlja prema drugom kraju osovinice u odnosu na prorez kombinovanog prstena, sa kojim je na istoj strani. Ispod uljnog prstena je pritisak 2-3% od pritiska u kompresionom prostoru.

Pumpno dejstvo klipnih prstenova na ulje za podmazivanje U kretanju klipa u taktu usisavanja klipni prstenovi pod uticajem razlike pritisaka (u kućištu je veći nego u radnom prostoru), trenja i inercijalnih sila leţe na gornjoj boĉnoj površini ţljeba. Ulje ispod prstena ulazi u ţljeb. Pri prelasku na sabijanje prstenovi silaze na donju boĉnu površinu iz istih razloga. (Pritisak je sad veći u radnom prostoru nego u kućištu). Prelaskom na donju boĉnu površinu prstenovi potiskiju ulje u stranu ka vertikalnoj površini ţljeba i odatle ka gornjoj površini ţljeba – iznad sebe. Postupak se ponavlja i ulje se kreće kroz ţljebove, potom izmeĊu grebena klipa i cilindra, ka prstenovima bliţim radnom prostoru. Svaki prsten ―pumpa‖ ulje prema radnom prostoru. Na kraju ulje ulazi u radni prostor i sagoreva u procesu sagorevanja. Ako su zazori izmeĊu ţljebova u klipu i prstena dobri, i prstenovi u njima slobodni, potrošnja ulja je minimalna. Kod ishbanih prstenova i cilindara koliĉina ulja koje dospeva u radni prostor toliko poraste da iz izduvnog sitema izlazi plavi dim, nastao sagorevanjem ulja. Ipak, Motor uvek mora da troši neku količinu ulja usled pumpnog dejstva klipnih prstenova, čak i onda kada je u najboljem stanju.

Profil prstenova •

•

Kompresioni Najĉešće je pravougaonog popreĉnog preseka. Naziva se i minutni, jer površina kojom se oslanja na cilindar gradi vrlo mali ugao, reda veliĉine minuta kao dela stepena. Ivica sa oštrim uglom okreće se prema kompresionom prostoru. U suprotnom, sile pritiska gasa teţiće da sabiju prsten prema ţljebu, što vodi lošijem zaptivanju. Prsten nosi oznaku za orijentaciju u aksijalnom smeru (―top‖ - gore) kod ugradnje, jer je minutni ugao premali da bi se primetio golim okom. Nagibom se smanjuje poĉetna kontaktna površina prstena sa cilindrom, pa je specifiĉni radijalni pritisak prstena na zid cilindra veći. Habanje je brţe, ĉime se skraćuje vreme uhodavanja prstena i cilindra. U razradi motora usled habanja prstena raste površina kontakta prstena i cilindra, specifiĉni radijalni pritisak se smanjuje, a njime i habanje prstena i cilindra kad se motor razradi. Moţe biti i trapeznog popreĉnog preseka, što je bolje (ali i skuplje za izradu prstena i poskupljuje izradu klipa). Trapezni prsten bolje istiskuje ulje iz ţljeba, (zbog rasporeda sila), pa se mogu usvojiti manji zazori izmeĊu klipa i prstena i smanjiti pumpno dejstvo prstena na ulje. TakoĊe imaju i delimiĉnu regulaciju radijalnog pritiska na zidove cilindra. Kombinovani Popreĉni presek ima ―kljun‖ – oštru ivicu. Kljun je okrenut ka kućištu motora i u funkciji je struganja – skidanja ulja sa zidova cilindra u taktovima širenja i usisavanja. Ravna strana okrenuta je prema kompresionom prostoru i u funkciji je zaptivanja. Veliĉina kljuna prstena je tolika da se sa sigurnošću bez oznake moţe prsten ispravno orijentisati kod ugradnje u ţljeb klipa, iako i on najĉešće nosi oznaku ―top‖.

Profil prstenova •

Uljni Ima središni kanal po obimu za deponovanje ulja za razmazivanje i proreze kroz telo za odvoĊenje viška ulja. Zbog kanala i proreza prsten ima razuĊenu konfiguraciju sa malom površinom na popreĉnom preseku – na punom materijalu. Zato samo svojim telom ne moţe ostvariti dovoljnu radijalnu pritisnu silu. Stoga ima dodatnu prstenastu oprugu (―ekspander‖) za pojaĉanje radijalnog pritiska prstena na zid cilindra. To ga ĉini dvodelnim, a opruga se smešta u prsten, tako da se nalazi izmeĊu prstena i ţljeba klipa. Postoje i trodelni i ĉetvorodelni prstenovi. Trodelni prsten ima dva jednaka dela, sliĉna kompresionom prstenu i srednji deo sa prorezima, koji se u sklopu nalazi izmeĊu druga dva dela. Pravi se masivnije pa moţe ostvariti dovoljan radijalni pritisak bez opruge. Četvorodelni ima prsten sa prorezima za prolaz ulja dva prstena za formiranje kanala za ulje i opruga (ekspander) kao ĉetvrti deo, koji povećava radijalni pritisak dela prstena sa prorezima.

Povećanje broja delova uljnog prstena oteţava montaţu i ubacivanje klipa u cilindar.

Materijal i izrada klipnih prstenova •

Materijal

Sivi liv, legirani Velike tvrdoće, otporan na habanje. Mikrostruktura sivog liva ima oštra ĉetvrtasta zrnca. Zato je prsten lako lomljiv kod savijanja. Moţe se slomiti i pri jakom ili neprekidnom detonativnom sagorevanju. Na površinu kompresionog prstena se nanosi tanak sloj od hroma ili molibdena (pesvlaka) u cilju povećanja otornosti na habanje. Kombinovni prsten je bez presvlake. Nodularni liv (sferoliv, ductil), Dvostruko boljih mehaniĉkih osobina od sivog liva. Ima mikrostrukturu sa okruglim zrncima (nodule), zbog ĉega se ne lomi. Skuplji i teži za obradu od livenog gvoţĊa i tvrĊi od cilindra, odnosno bloka od sivog liva. Cilindri se moraju otvrdnuti presvlakom od hroma ili molibdena da bi mogli funkcionisati sa ovim prstenovima.

Čelik Dvostruko boljih mehaniĉkih osobina od nodularnog liva. Zbog toga ĉelik omogućava smanjenje dimenzija prstena. Zbog manjih dimenzija popreĉnog preseka su elastiĉniji pa se lakše prilagoĊavaju oblku cilindra. Jeftiniji je za izradu od livenih prstenova. Cilindri moraju biti otvrdnuti presvlakom od hromira, molibdena ili nitrirani.

Materijal i izrada klipnih prstenova •

Izrada Gvozdeni klipni prstenovi se prave livenjem i struganjem (strug), posle ĉega se prosecaju krajevi. U otvorenom stanju veći su od preĉnika cilindra, što im daje elastiĉne sile za radijalan pritisak na zidove cilindra. Krajevi prstenova se ovaliziraju zbog povećanja radijalne sile. Ĉeliĉni klipni prstenovi se izraĊuju namotavanjem sliĉno izradi opruge. Svakako moguća je i izrada na CNC mašinama.

Nitriranje je proces obogaćena površine metala azotom pri visokoj temperaturi u cilju otvrdnjavanja površine i postizanja veće otpornosti na habanje. Za najveća opterećenja dizel motora primenjivana je i kombinacija molibdena i keramike "Moly Cermet― – molibdenska keramika – metal (80% moly/20% chromium carbide ceramic). Presvlaka je nanošena plazma postupkom, vrlo je tvrda i otporna na habanje. (Volvo, motori teških kamiona). Nedostatak: Loše provoĊeje toplote keramike (izolator), visoke temperature sagorevanja usled nedovoljnog hlaĊenja ―keramiĉkog‖ klipa preko ―keramiĉkih‖ klipnih prstenova.

Sile koje deluju na klipne prstenove Na klipne prstenove deluju sile nastale pod sledećim uticajima:

• • • •

Pritisak gasa Trenje Inercija Radijalna elastičnost

Elastiĉne sile deluju radijalno na prsten, pritiskajući ga na zid cilindra. Elastične sile treba ravnomerno da deluju po celom obimu prstena. Tokom vremena, ipak, elastiĉne sile slabe na krajevima prstena. Razlog tome je što se toplotom gasova greju i površine proreza na krajevima prstena, kroz koje prolaze vreli gasovi u toku ekspanzije. Materijal prstena se neţeljeno otpušta* i elastiĉne sile slabe. Stoga, krajevi klipnih prstenova malo se otvaraju prema povećanju preĉnika. Otvoreni krajevi klipnog prstena se intenzivnije habaju (kao i cilindar na njihovom mestu), ali se radijalna sila po celom obimu prstena duţe odrţava konstantnom. Veće lokalno habanje cilindra u zoni krajeva prstenova na duţini hoda klipa utiĉe na spreĉavanje okretanje klipnih prstenova oko ose cilindra, kada dostigne dovoljnu meru.

Radijalni pritisci prstenova i oblici prstenova Otvaranje krajeva prstenova

Levo: Pritisci (crveno) koje ostvaruju jabuĉast (gore) i kruškast (dole) oblik prstena na zid cilindra (plavo). Desno: Jabuĉast (gore) i kruškast (dole) oblik prstena

Osovinica klipa Ocovinica klipa vezuje klip sa klipnjačom.

Veza moţe biti pokretna i u klipu i u klipnjaĉi (―plivajuća‖), ili samo u klipu, a u klipnjaĉi je presovan sklop. Zazor je mali, oko 5 µm (―pola stote‖), kod plivajuće 15 µm (―jedna-i-po stota‖), u ušicama klipa kod presovanog sklopa. Zazori kliznog sklopa su takvi da se osovinica bez alata ubacuje u malu pesnicu, a okrenuta osom prema zemlji ne ispada iz sklopa pod uticajem sile sopstvene teţine. Kod plivajuće osovinice postoji klizni leţaj u maloj pesnici, a osovinica se obezbeĊuje uskoĉnim prstenovima od aksijalnog pomeranja/ispadanja. Plivajući sklop je bolji, sa manjom mogućnošću zaribavanja i većom nosivošću u odnosu na presovan sklop. Osovinica je šuplja cilindriĉno, a za veća opterećenja ima koniĉnu šupljinu. Vrlo je glatka (N5 kvalitet obrade površine). Materijal je cementiran ĉelik* velike tvrdoće i ĉvrstoće, sposoban da dobro podnosi naizmeniĉno promenljiva udarna opterećenja.

Klipnjaĉa

Osa male ―pesnice‖ vrši pravolinijsko oscilatorno kretanje, zajedno sa osom osovinice klipa, sa kojom se podudara. Osa velike ―pesnice‖ vrši kruţno kretanje, zajedno sa osom rukavca kolena kolenastog vratila, sa kojom se podudara. Sve taĉke klipnjaĉe izmeĊu ose velike i male pesnice vrše sloţeno – ravno kretanje (kretanje u ravni), koje se sastoji iz pravolinijskog i kruţnog kretanja. Klipnjača pretvara pravolinijsko naizmenično kretanje klipa u obrtno kretanje kolenastog vratila. Na slici je prikazana klipnjaĉa sa ravnim presekom velike pesnice – presekom kod kog je ravan preseka klipnjaĉe upravna na osu simetrije klipnjaĉe. Klipnjaĉa se sastoji od tela i poklopca. Poklopac se za klipnjaĉu vezuje vijcima, koji se priteţu na zadatu meru. Vijci ujedno (najĉešće) sluţe i kao element za centriranje poklopca i klipnjaĉe. Otvor velike pesnice, na ĉiju se površinu (―gnezdo‖) postavlja klizni leţaj, obraĊuje se u sklopu sa poklopcem. Ako nema asimetrije, koja obezbeĊuje jednoznaĉno sklapanje poklopca sa klipnjaĉom, postavljaju se oznake na telo klipnjaĉe i poklopac.

Klipnjaĉa

Konstrukcija velike pesnice iz dva dela omogućava primenu jednodelnog kolenastog vratila. Telo klipnjaĉe se, u sklopu sa klipom i klipnim prstenovima na klipu i osovinicom klipa ubacuje u cilindar. Zatim se poklopcem klipnjaĉe sklapa sa kolenom kolenastog vratila. Ako su konstrutivne (gabaritne) mere velike pesnice veće od preĉnika cilindra, ravan preseka velike pesnice se zakošava u odnosu na osu klipnjaĉe, da bi klipnjaĉa mogla da proĊe kroz cilindar. Zakošavanjem ravni preseka nastaju boĉne sile u velikoj pesnici, pa se na sastav poklopca i tela klipnjaĉe postavljaju zupci. Zupci primaju boĉne sile i time rasterećuju vijke od naprezanja na smicanje. Ujedno sluţe i kao element za centriranje. Mala pesnica je jednodelna, i, ako je veza sa klipom plivajuća, u malu pesnicu se presovanjem ubacuje klizno leţište.

Kolenasto vratilo •

•

Funkcija Prima sile od pojedinih klipnjaĉa na rukavcima velikih pesnica (leteći), preko kolena daje dinamiĉki moment oko svoje ose okretanja. Mehaniĉka energija se prenosi na zamajac, a sa zamajca se predaje potrošaĉu. Radilica se na blok motora (gornje kuć.) oslanja preko leţećih rukavaca, a sa suprotne strane od letećih rukavaca ima protivtegove za uravnoteţenje obrtanja. Prema smeru isporuke energije, strana suprotna od zamajca se uzima kao prednja, i od nje se broje cilindri. Na prednjoj strani su elementi razvoda i pogona pomoćnih ureĊjaja (alternator, pumpa za ulje*, kompresor klima ur.) i po potrebi prigušivaĉ torzionih oscilacija. Nazubljeni prsten (602 zupca) davaĉa brzine i poloţaja moţe biti postavljen direktno na neki kraj radilice, ili na zupĉasti remen/lanĉanik razvoda, ili na zamajac. Dvodelna leţišta letećih i leţećih rukavaca se podmazuju uljem pod pritiskom. ―Vodeći‖ leţeći rukavac, do zamjca, ili srednji, jedini ima aksijalna leţišta, svi ostali imaju samo radijalna. Izrada i materijal Radilice se izraĊuju livenjem, kovanjem, a u novije vreme i rezanjem iz kruţnog profila. Za livenje se koristi nodularni liv. Najjeftinija varijanta sa livenjem ima dobru otpornost na koncentraciju napona, dobru otpornost na habanje i malu osetljivost na torzione oscilacije. Nedostatak, manja zatezna ĉvrstoća i otpornost na savijanje. Kovane radilice se rade od ĉelika za poboljšanje i legiraju za veća opterećenja (Cr,Mo; Cr,Ni). Velika ĉvrstoća (na savijanje), ali povećana osetljivost na koncentraciju napona. Pogodna za induktivno površinsko kaljenje, posle ĉega se dobija tvrda površina sa ţilavim jezgrom. Skuplje od livenih. Rezanje iz komada je najbolja, ali i najskuplja varijanta, zbog velikog otpada materijala i vremena izrade. Vrlo precizna izrada na CNC mašinama daje malu masu, a rezanje iz valjanog (―rolat‖) monolita daje oĉuvanu mikrostrukturu – smanjenu osetljivost na koncentraciju napona, i veliku ĉvrstoću. (Dokazano u takmiĉarskim uslovima). (Kod livenja je mikrostruktura amorfna, kod kovanja je tok vlakana usmeren, ali se prelama na kolenima (konc.nap.) i napreţe kod uvijanja pri kovanju, ako kolena nisu u istoj ravni). Materijal Ĉ 4370. Najviša cena.

Radilica (dobijena postupkom livenja)

Radilica (dobijena postupkom rezanja)

V8 radilica (kolena u jednoj ravni, dve klipnjaĉe na istom rukavcu)

Bregasto vratilo (osovina)

Blok motora (cilidarski blok) Blokovi od livenog gvoţĊa mogu se, po isteku veka trajanja motora, obraĊivanjem vratiti u funkciju. Blokovi od lakih metala* imaju manju masu, ali su namenjeni jednokratnoj upotrebi. Cilindri se izraĊuju direktno u bloku, (dobra krutost, ali skuplje) ili se izraĊuju cilindarske košuljice, koje se ubacuju u blok (jeftinije, jer se samo košuljice izraĊuju od skupljeg materijala, ali komplikovanije za rad). Cilindarske košuljice mogu biti • Suve Ubacuju se u blok presovanjem (teţe) i obraĊuju na datu meru. Hlade se teĉnošću preko bloka • Mokre Jednostavno se ubacuju u blok i direktno ih hladi teĉnost. Manja krutost zbog oslanjanja manjim delom površine na blok, uz probleme sa zaptivanjem teĉnosti za hlaĊenje (obiĉno gumenim prstenovima u dve visine, izmeĊu kanal i otvor za odriv kad zaptivanje popusti).

Površina zidova cilindara mora biti glatka (visok kvalitet površinske obrade za minimalnu hrapavost, sa završnim honovanjem). Tolerancija oblika zahteva minimalnu ovalnost i koniĉnost. Najveća istrošenja su u oblasti prvog kompresionog prstena u visini SMT, koji radi u uslovima trenja bez podmazivanja i termiĉki opterećen.

Glava motora (cilindara)

Recirkulacija izduvnih gasova (EGR) Princip rada •

Deo izduvnih gasova iz motora se kroz usisni sistem vraća natrag u cilindar – u proces sagorevanja. Primenjuje se i za dizel i za oto motore.

•

Snižava se vršna temperatura sagorevanja. Izduvni gasovi su inertni – ne sagorevaju. Stoga radno telo – smeša izduvnih gasova, goriva i vazduha ima veću specifiĉnu toplotu od smeše goriva i vazduha. Grejanje izduvnih gasova uzima toplotu, temperatura sagorevanja pada i smanjuje se koliĉina azotnih oksida pri sagorevanju, koji nastaju na visokoj temperaturi.* Smanjuje se količina neiskorišćene toplote, koja sa izduvnim gasovima odlazi atmosferu Smanjuje se rad katalitičkog konvertora koji neutrališe azotne okside, jer je temperatura sagorevanja niţa. Ne koristi se za puna opterećenja Smanjuje se koliĉina vazduha jer deo zapremine cilindra zauzimaju izduvni gasovi, pa se ne moţe dodati puna koliĉinu goriva u smešu. Zato se puno opterećenje ne moţe dobiti

• • •

UsklaĎivanje položaja leptira sa radom sistema za recirkulaciju izduvnih gasova (EGR) vrši se preko računara. (Iskljuĉivanje EGR sistema u cilju dobijanja više snage iz motora je neprihvatljivo, jer remeti rad raĉunara na upravljanju leptirom i EGR ventila u zajedniĉkom dejstvu (oto) i vihorne klapne (dizel).)

Recirkulacija izduvnih gasova (EGR) Osobine i primena za oto motore •

• •

•

Smanjuju se pumpni gubici kod oto motora, jer se leptir moţe otvoriti više za istu koliĉinu sveţeg vazduha, pošto deo radnog prostora popunjavaju izduvni gasovi. Veće otvaranje leptira daje manje prigušenje na usisu i time smanjuje pumpne gubitke. Smanjenje pumpnih gubitaka smanjuje potrošnju goriva – raste ekonomiĉnost motora. (Recirkulacijom se vraća u cilindar i kiseonik koji pri radu sa siromašnom smešom nije iskorišćen za sagorevanje, raĉunar i proraĉun sastava smeše.) Sagorevanje je sporo Potrebno je pomerati paljenje više na ranije za dobijanje više rada kod glavnog sagorevanja (p,V dijagram) Ne koristi se za rad na praznom hodu Motor je sklon nestabilnom radu i gašenju pri minimalnoj koliĉini goriva, i smeši razreĊenoj izduvnim gasovima. (Već usled preklapanja ventila ispiranje cilindra je loše na malom broju obrtaja, pa motor radi nestabilno/neravnomerno). Koliĉina recirkulisanih gasova je 5 – 15%. Više od toga prekida sagorevanje.

Kod direktnog ubrizgavanja u oto motor u načinu rada (mod) sa siromašnom smešom, zbog manjeg opterećenja katalitiĉkog konvertora za azotne okside: • Umanjuje se broj prelazaka na rad sa bogatom smešom u svrhu dobijanja ugljovodinika kao agensa za neutralizaciju azotnih oksida u konvertoru.

Recirkulacija izduvnih gasova (EGR) Osobine i primena za dizel motore Negativne posledice

•

Smanjuje se odvedeni rad Sniţava se temperatura sagorevanja u radnom taktu što znaĉi i pritisak, od kog zavisi i dobijeni rad, pV dijagram (cena za smanjenje azotnih oksida u izduvu).

Moguće negativne posledice

• •

Nastaje nepotpuno sagorevanje Sniţena temperatura daje nepotpuno sagorevanje dizel goriva, koje se pali toplotom gasa u cilindru Pojavljuju se čestice u izduvu (ugljenika).

Da bi se uvela veća koliĉina izduvnih gasova u cilndar, oni se hlade u meĊuhladnjaku pre uvoĊenja u cilindar. Hladniji gasovi zauzimaju manju zapreminu, a veća koliĉina inertnih gasova povećava koeficijent specifiĉne toplote, što efikanije sniţava vršnu temperaturu sagorevanja. Kod dizel motora moţe se uvesti do 50% recirkulisanih gasova, jer oni i inaĉe rade sa velikim viškovima vazduha, naroĉito na praznom hodu. Sa daljim povećanjem raste previše k.s.t., pa bitno pada temeratura sagorevanja (ĉestice).

Funkcionalna šema EGR*

Sistem automatskog upravljanja (SAU) sa povratnom spregom za konverziju otrovnih komponenti u izduvnim gasovima •

Upravljanje sastavom i koliĉinom smeše u otvorenom kolu SAU nije dovoljno za sagorevanje bez toksiĉnih komponenti. Potrebno je znati rezultat upravljanja i popraviti sastav smeše prema sastavu izduvnih gasova

•

Uvodi se povratna sprega preko lambda senzora – davaĉa sadrţaja kiseonika u izduvnim gasovima. Ĉak i sa povratnom spregom ne moţe se ostvariti idealno sagorevanje (=1) jer se ne moţe ostvariti isti uslovi sagorevanja po celom prostoru za sagorevanje.

Upravljanje sastavom smeše vrši se: Količinom ubrizganog goriva za datu količinu vazduha (masa goriva i masa vazduha)

Količina ubrizganog goriva podešava se vremenom ubrizgavanja goriva za dati sistem Odstupanja od zadatog sastava smeše utvrĎuje se prema količini kiseonika u izduvnim gasovima, što se meri lambda –  davačem

Vreme impulsa ubrizgavanja* Vb  Kb  Ti Kb  b Ab

2p

g

Ti  proizvodi _ uticajnih _ faktora • • • • •

Vb – Koliĉina ubrizganog goriva [mm3] Ti – vreme impulsa ubrizgavanja (―širina impulsa‖) Kb – Stacionarna protoĉna karakteristika brizgaljke [mm3/ms] p – Razlika pritisaka u brizgaljki i okolini ubrizgavanja  - Koeficijent protoka brizgaljke, obuhvata oblik otvora

Sa porastom razlike pritisaka smanjuje se površina popreĉnog preseka otvora Ab za istu protoĉnu karakteristiku brizgaljke, a raspršivanje goriva je bolje.

Naĉin rada SAU •

Sistem proraĉunava punjenje gorivom na osnovu radnih informacija o opterećenju motora. (pi/pimax, ĉešće pe/pemax). Osnovni parametri kojima se opisuje opterećenje motora su protok mase vazduha kroz usisni vod, odnosno protok zapremine, temperatura i pritisak vazduha i u usisnom vodu, ako se ne meri protok mase. Za merenje protoka mase koristi se protokomer sa vrelim fimom (HFM, Hot Film Mas senzor), a za merenje pritiska senzor apsolutnog pritiska u usisnom vodu (MAPManifold Apsolute Pressure), uz protokomer i senzor temperature. Sadrţaj kiseonika u izduvnom gasu, koji se meri lambda davaĉem, je parametar koji se koristi za popravljanje sastava smeše, ne za odreĊivanje sastava smeše. Proraĉun se odvija dinamički, u toku rada motora.

•

 davači omogućavaju popravljanje grešaka u ubrizgavanju goriva, nastalih usled netaĉno ubrizgane koliĉine goriva. Greške mogu nastati usled netaĉnog merenja pritiska ubrizgavanja, promene gustine goriva zagrevanjem goriva, netaĉnog merenja protokamase, odnosno zapremine, temperature i pritiska vazduha na usisu, promene nominalnih karakteristika brizgaljki usled habanja itd.

Vrste davaĉa u povratnoj sprezi SAU •

Davač sa dvostepenom kontrolom

 davač menja signal u dva stepena: Bogata ili (xor) siromašna smeša

Koliĉina ubrizganog goriva za stehometrijsku smešu se odrţava kao ―dinamiĉki prosek‖ izmeĊu bogate i siromašne smeše. Nedostatak: Ne moţe se upravljati sastavom smeše tako da se dobijaju bogate 1 smeše, nego samo stehiometrijska smeša =1 (i to statistiĉki). (Oto). Prednost: jednostavnija konstrukcija i niţa cena u odnosu na davĉe sa neprekidnom kontrolom. •

Davač sa neprekidnom kontrolom

 davač daje neprekidan signal o sastavu smeše

Potrebno vreme odziva za korekciju smeše je kraće, jer se odstupanje od traţene vrednosti oĉitava odmah, a ne samo na granicama, kada preovlada ―bogato/siromašno‖ i obrnuto, kao kod dvostepene kontrole. Motorom se moţe upravljati tako da radi i sa bogatom i sa siromašnom smešom na zadatoj vrednosti , a ne samo sa stehiometrijskom =1. Davaĉ radi sa ≥0.7. (Oto: Neophodni za redukciju azotnih oksida i dizel, uĉestvuju u regeneraciji filtera za ĉestice ugljenika).

Funkcionalna šema kontrole koliĉine ubrizganog goriva sa dvostepenim davaĉem

Upravljanje sa jednim, dva i tri  davaĉa (oto) •

•

•

Sa jednim davačem  davaĉ se postavlja pre ili posle trostepenog katalizatora Davaĉ moţe biti dvostepen ili kontinualan. Davaĉ postavljen pre katalizatora nema informaciju o tome šta radi katalizator – šta odlazi u atmosferu. Odziv je brz, ali je davaĉ izloţen je temperaturnim stresovima, i agresivnom dejstvu izduvnih gasova, što umanjuje taĉnost. Davaĉ postavljen iza katalizatora daje podatke kasnije, jer izduvni gasovi treba da proĊu kroz katalizator pre nego što stignu do davaĉa, što zahteva vreme. Ipak, zna se konaĉan rezultat rada motora u odnosu na izduvne gasove. Sa dva davača Jedan  davaĉ se postavlja pre primarnog katalizatora (trostepeni katal.) i jedan posle glavnog katalizatora (azotni oksidi). Obiĉno je prvi davaĉ kontinualnog tipa, da bi pratio sve promene, a drugi sa dvostepenom kontrolom, jer se na kraju traţi =1. Kod ubrizgavanja u usisni vod i rada sa stehiometrijskom smešom, davaĉ iza katalizatora postavlja se samo na zahtev, ako se ţeli znati krajnji rezultat i tada je obiĉno dvostepeni. (Za =1 dovoljan je jedan dvostepeni davaĉ.) Kod ubrizgavanja u usisini vod i rada sa siromašnom smešom, uvek se postavlja davaĉ i iza glavnog katalizatora. Isto vaţi i za direkto ubrizgavanje, s tim što tada drugi davaĉ ima integrisan i senzor za azotne okside. Sastav izduvnih gasova iza glavnog katalizatora je manje agresivan, pa je ĉitanje taĉnije u duţeme vrmenskom periodu. Oba davaĉi mogu biti dvostepena, ili je prvi kontinualan, a drugi dvostepen. Sa tri davača  davaĉ se postavlja pre primarnog katalizatora (jedan, kontinualan) i po jedan posle primarnog i glavnog katalizatora, tipa zavisno od zateva. (Veći zahtev, ĉistiji izduv, viša cena).

Upravljanje sa više od tri  davaĉa (oto) Davači po pojedinim cilindrima

Jedan davaĉ u zajedniĉkoj izduvnoj cevi nema informaciju o tome šta se dešava sa pojedinim cilindrima, već samo informaciju o ukupnom sastavu izduvnih gasova. Davačima po pojedinim cilindrima može se popraviti sastav izduvnih gasova posebno za svaki cilindar motora. Ako su svi cilindri u istom (dobrom) stanju (kompresija) i punjenje vazduhom je ravnomerno, izjednaĉiće se i momenti po pojedinim cilindrima. Ako su cilindri u razliĉitom stanju i/ili ne dobijaju istu koliĉinu vazduha, poraviće se samo sastav smeše. Tada cilindar koji razvija manji moment biva ―vuĉen‖ od ostalih cilindara. Na neravnomernost punjenja mogu uticati i greške u izraĉunavanju (ECU), kada je takoĊe moguće poraviti sastav smeše, ali ne i moment po cilindrima.

Davaĉi po pojedinim cilindrima mogu se primeniti samo kod varijante ―naprednog‖ sekvencijalnog ubrizgavanja, gde je moguće menjati duţinu vremena ubrizgavanja (―širinu impulsa ubrizgavanja‖) za svaki pojedini cilindar, odnosno koliĉinu ubrizganog goriva po svakom pojedinom cilindru.

Funkcionalna šema SAU sa jednim i dva  davaĉa* (oto)

Funkcionalna šema SAU sa tri  davaĉa* (oto)

Zajedniĉko delovanje  davaĉa  davaĉi iza katalitiĉkog konvertora, pored kontrole delovanja konvertora mogu da: • Kontrolišu rad  davaĉa pre konvertora • Izmene signale  davaĉa pre konvertora i time poboljšaju sastav izduvnih gasova iz motora Zajedniĉki rad više  davaĉa u više zatvorenih petlji (povratnih sprega) mora imati uporište u programskom modelu ECU.

Upravljanje u zatvorenoj petlji  davaĉa (dizel) Koristi se jedan kontinualni  davaĉ u izduvnoj cevi, koji meri koliĉinu preostalog koseonika u izduvnim gasovima. Signal lambda sonde koristi se za:

•

•

•

•

Upravljanje radom EGR ventila Promena koliĉine recirkulisanih izduvnih gasova menja vršnu temperatru sagorevanja, od koje zavisi koliĉina azotnih oksida u izduvu. Vršna temperatura ne sme biti previsoka zbog pojave NOx, ali ni preniska, zbog hladnih ciklusa, kada slabi efektivnost motora (pothlaĊen motor) i raste pojava ĉestica u izduvu. Otvaranjem EGR ventila povećava se koliĉina recirkulisanih izduvnih gasova kada treba sniziti vršnu temperaturu sagorevanja. (Exaust gas related control loop). Koliĉina recirkulisanih izduvnih gasova ne moţe biti veća od koliĉine vazduha potrebnog za ostvarenje zahtevanog momenta motora*. Ograničenje pojave crnog dima Maksimalna koliĉina goriva koja se moţe ubrizgati, a da ne doĊe do pojave crnog dima u izduvu. U kalkulaciju za koliĉinu goriva ulazi i brzina motora obzirom na to da specifiĉna potrošnja goriva zavisi i od brzine – broja obrtaja motora. Pri punom opterećenju motora ne recirkulišu se izduvni gasovi jer je potreban sav vazduhkiseonik za dobijanje maksimalnog momenta motora. Kočenje motorom (overrun mode) Iskljuĉuje se dovod goriva i zatvara EGR ventil jer nema sagorevanja. U cilindar pri ponovnom upućivanju u rad ulazi ĉist vazduh što omogućava brz prelaz u rad motora kao pogonskog agregata, kad koĉenje motorom prestane. Učešće u regeneraciji katalizatora azotnih oksida i filtera za čestice Signal lambda sonde koristi se za odreĊivanje kraja procesa regeneracije NOx katalizatora i regulaciji koliĉine recirkulisanih izduvnih gasova kod regeneracije DPF.

Ventilacija kućišta motora (zatvoren sistem*) Produkti sagorevanja, koji se sastoje od potpunog sagorevanja (ugljen-dioksid i voda, odnosno vodena para), nepotpunog sagorevanja (ĉestice, ugljen-monoksid i ugljovodonici) prodiru iz prostora za sagorevanje u kućište motora (produvavanje) i kroz zaptivaĉe ventilskih stabala (tokom izduvavanja) u kućište bregaste osovine/vratila. U kućištu bregaste osovine i, znatno više u kućištu motora, za vreme rada motora, stvaraju se vrlo sitne kapljice ulja najĉešće veliĉine (0.5-2.0) m. Kapljice se smanjuju sa porastom temperature ulja koja raste sa porastom opterećenja motora (vikoznost ulja opada pa se lakše kida po zapremini). Kapljice ulja stvaraju pokretni delovi motora, posebno na zidovima cilindra koji se podmazuju. Nastaju i posle hlaĊenja glave klipa uljem, kondenzacijom. Iz kućišta bregaste osovine kapljice ulja odlaze u kućište motora kroz vodove za vraćanje ulja dovedenog za podmazivanje mehanizma bregaste osovine ili kroz poseban vod. Ulje iz zatvorenog sistema ventilacije kućišta motora treba odstraniti u najvećoj mogućoj meri u cilju smanjenja naslaga i/ili depozita: • Na ventilima (koksovano ulje, vaţi i direktno za prirodan usis i za turbopunjenje) • U katalitiĉkim konvertorima (posle sagorevanja) • Turbokompresorima (naslage pepela od neorganskih aditiva dodatih ulju) • MeĊuhladnjacima Osim toga, odstranjivanjem ulja iz povratnog voda smanjuje se i ukupna potrošnju ulja motora. Posle odstranjivanja ulja (separacija) u usisni kolektor se vraćaju samo gasovi iz kućišta motora. Na neizdvojeno ulje, vraćeno u zatvorenom sistemu na usis motora, posebno su osetljivi turbopunjaĉi dizel motora (VTG) i turbopunjaĉi oto motora sa direktnim ubrizgavanjem benzina.

Ventilacija kućišta motora - instalacija (zatvoren sistem*) Sistem za ventilaciju kućišta motora ĉine • Izdvajač ulja (separator) – Lavirintni Promenom pravca strujanja lavirintnim pregradama, kroz koje teĉe gas iz kućišta, velike koliĉine ulja i velike kapljice ulja (1-2) m izdvajaju se (inercijalno izdvajanje). Ovi izdvajaĉi ne zahtevaju ćišćenje. – Ciklonski Vihorno kretanje gasa za kapljice veliĉine 1.5 m (inercijalno izdvajanje). Ne zahtevaju ćišćenje. Efikasnost preĉišćavanja je vrlo zavisna od brzine motora, sa kojom raste. – Sintetička vlakna (fiber) Difuziono kretanje gasa kroz pore, ĉija veliĉina odreĊuje i veliĉinu kapljica ≤1 m koje se izdvajaju. Skloni zapušavanju ĉesticama. Zahtevaju ĉišćenje. – Centrifugalni Rotorajućim elementima sa nezavisnim pogonom ostvaruju se centrifugalne sile kojima se izdvajaju ĉestice. Poseban pogon elemenata eliminiše zavisnost od razlike pritiska potrebne za protok gasa (troškovi). Daju najbolje rezultate. – Električni Elektrode koje naelektrišu ĉestice ulja, a zatim se koristi magnetno polje naelektrisanih ĉestica za njihovo izdvajanje. Napon naelektrisanja 5-15 kV. Nedostatak, talozi na elektrodama.

Ventilacija kućišta motora - instalacija (zatvoren sistem*) Sistem za ventilaciju kućišta motora ĉine •

•

Ventil upravljan podpritiskom (PCV) Ventil sa usmerenim protokom (Positive Crankcase Ventilation). Ventil se sastoji od prigušnice sa zatvaraĉem. Veliĉinu prigušenja odreĊuje podpritisak, odnosno razlika pritisaka u kućištu motora i usisnom kolektoru sa jedne strane, a sa druge opruga prigušnice. Kod oto motora: Najveća razlika pritisaka izmeĊu kućišta motora i usisnog kolektora je kad je leptir-klapna motora zatvorena. Tada je broj obrtaja minimalan, opterećenje motora minimalno i produvavanje u kućište minimalno. Ventil će biti zatvoren. Najmanja razlika pritisaka izmeĊu kućišta motora i usisnog kolektora je kad je leptir-klapna motora potpuno otvorena. Tada je broj obrtaja maksimalan, (prema otporu kretanja vozila), opterećenje motora maksimalno i produvavanje u kućište maksimalno. Ventil će biti otvoren. U sluĉaju nekontrolisanog sagorevanja u usisnom kolektoru (―back fire‖) naglo povećanje pritiska sa strane suprotne pozitivnoj ventilaciji zatvara ventil. Time se spreĉava prostiranje plamena iz usisnog voda ka kućištu i upaljenje gasa u kućištu motora, što moţe izazvati eksploziju. Priključci i creva

Preĉišćavanje ĉestica iz izduvnih gasova dizel motora Proces preĉišćavanja ĉestica iz izduvnih gasova kod dizel motora odvija se u dve faze: • Uklanjanje čestica Ĉestice se iz izduva uklanjaju filterom (DPF, Diesel Particulate Filter) Filter je sastavljen od keramiĉke rešetke sa puno paralelnih kanala debljine zida (300400)m, (0.3—0.4)mm. Susedne ćelije su zatvorene na krajevima (―šah polja‖), alternativno na ulazu i na izlazu gasa iz filtera. To prinuĊuje gas da se kreće (difuzija) kroz zidove rešetke u ĉijim porama se ĉestice zadrţavaju. Nagomilavanje ĉestica smanjuje pore, sa ĉime raste efikasnost preĉišćavanja ĉestica. Istovremeno raste i pritisak na ulazu u filter. Postoje i rešetke od metala u koje se ubacuje prah sinterovanih metala i rade na istom principu kao i keramiĉki filteri. Prah obrazuje vrlo male pore u kojima se ĉestice zadrţavaju. Osim difuzijom kroz pore ĉestice se mogu izdvajati i taloţenjem na zidovima rešetki. Kada se umesto kvadratnog popreĉnog preseka kanala rešetke primeni osmougaoni, povećava se popreĉni presek kanala, a time povećava i kapacitet filtera. Efikasnost preĉišćavanja ĉestica je  95%. • Sagorevanje čestica Filter za ĉestice je akumulatorskog tipa. Sa nagomilavanjem ĉestica protoĉni preseci kroz rešetku se smanjuju, zbod ĉega otpori proticanju izduvnih gasova rastu. Povećanje otpora proticanja ima za rezultat povećanje pritiska u izduvnom sistemu što odnosi koristan rad. Smanjuje se snaga motora i pogoršavaju performanse ubrzavanja vozila. Zato se povremeno filter za ĉetice mora osloboditi nagomilanih ĉestica. Proces oslobaĊanja filtera od ĉestica vrši se sagorevanjem ĉestica i naziva se ―regeneracija‖ filtera.

Preĉišćavanje ĉestica iz izduvnih gasova dizel motora Sagorevanje ĉestica ugljenika – regeneracija filtera za ĉestice

Ĉestice sagorevaju na temperturi od oko 600 stepeni u neotrovan CO2. U normalnom radu dizel motora putniĉkih vozila ovakve temperature su vrlo retke. Zato se • Sniţava temperartura sagorevanja aditivima u gorivu • Povišava temperatura izduvnih gasova sekundarnim ubrizgavanjem goriva, ranim i kasnim Period akumulacije ĉestica u filteru je 300-800km, u proseku oko 500km. Regeneracija – sagorevanje ĉestica traje (10-15)min. Za vreme regeneracije, da bi bila potpuna, ne treba prekidati voţnju (nedostatak). Trenutak kad treba poĉeti sa regulacijom utvrĊuje se na osnovu pada pritiska kroz filter iz ĉega se izraĉunava zapreminski protok izduvnih gasova i na osnovu toga otpori strujanju na koje se troši energija motora pri izduvavanju. Pri tom se koristi i model za izraĉunavanje koliĉine ĉestica u filteru. Kraj regeneracije utvrĊuje se padom temperature u filteru, kada se smanjuje dovoĊenje toplote sagorevanjem ĉestica, jer se smanjuje koliĉina ĉestica u filteru. Za sagorevanje – oksidaciju ĉestica sluţi kiseonik. Stoga pri regeneraciji pomaţe i lambda sonda, preko koje se menja koliĉina recirkulisnih izduvnih gasova u odnosu na nominalnu i kontroliše sadrţaj kiseonika tokom sagorevanja ĉestica. Sinter-filteri zbog metalne rešetke bolje provode toplotu nego filteri sa keramiĉkom rešetkom. Zato sinter-filteri imaju brţu regeneraciju od filtera sa keramiĉkim rešetkama. Performanse motora za vreme regeneracije treba d budu oĉuvane.

Snabdevanje gorivom kod ubrizgavanja benzina Instalacije niskog i visokog pritiska

Zadatak sistema za snabdevanje gorivom Indirektno ubrizgavanje (u usisni sistem) • Snabdevanje brizgaljki – Instalacija (niskog) pritiska (1-5) bar

U odnosu na indirektno ubrizgavanje, kod direktnog ubrizgavanja je vreme na raspolaganju kraće, a uslovi za obrazovanje smeše teţi. Zato su pritisci ubrizgavanja znatno viši kod direktnog ubrizgavanja benzina. Zbog visokih pritisaka ubrizgavanja uvodi se dvostepeno ubrizgavanje po pritisku. Direktno ubrizgavanje (u cilindar) • Snabdevanje pumpe visokog pritiska – Instalacija niskog pritiska

•

Snabdevanje brizgaljki – Instalacija visokog pritiska (180-200) bar

U oba sistema se vrši: • Skladištenje goriva (rezervoar) • Preĉišćavanje (filter) • Spreĉavanje emisije para goriva u atmosferu (evap, propisi)

Instalacija niskog pritiska za snabdevanje gorivom (ubrizgavanje u usisini vod) •

Povratni sistemi Protok goriva i pritisak ubrizgavanja daje elektriĉna pumpa za gorivo. Put goriva: Pumpa uzima gorivo iz rezervoara i kroz preĉistaĉ za gorivo potiskuje ga kroz vod pod pritiskom višim od pritiska ubrizgavanja u akumulator zajedniĉke magistrale (fuel rail, fuel distributer). Vod je povezan sa jednim krajem akumulatora. Brizgaljke dobijaju gorivo iz akumulatora, zajedniĉki nose akumulator, a postavljene su na usisne cevi (multipoint) u koje ubrizgavaju gorivo. Mehaniĉki regulator pritiska sa ventilom i povratnim vodom za gorivo je postavljen na drugom kraju akumulatora. Regulator odrţava pritisak ubrizgavanja u zavisnosti od pritiska u usisnom kolektoru, odnosno u zavisnosti od opterećenja motora. (Zavisnost pritiska ubrizgavanja od pritiska u usisnom kolektoru je bitna za vreme – duţinu impulsa ubrizgavanja, v.slajd 254). Višak goriva se vraća iz akumulatora u rezervoar posebnim vodom. (Kapacitet protoka pumpe je uvek veći od potreba motora). Gorivo koje se vraća je toplo jer se akumulator greje od motora, a temperatura dodatno raste i prigušivanjem u regulatoru pritiska. Vraćeno toplo gorivo iz akumulatora greje gorivo u rezervoaru i izaziva isparavanje. Potreban je sistem za recirkulaciju para goriva. (Evap, karbon kanister).

Instalacija niskog pritiska za snabdevanje gorivom (ubrizgavanje u usisini vod) •

Nepovratni sistemi Razlika u odnosu na povratne sisteme je u tome što je regulator pritiska sa ventilom postavljen odmah iza pumpe za gorivo, ako je u rezervoaru, ili u neposrednoj blizini rezervoara, ako pumpa nije u rezervoaru. Višak goriva se vraća u rezervoar ne odlazeći u akumulator. Grejanje goriva je bitno smanjeno, ali je regulator udaljen od usisnog kolektora i ne vrši više fukciju odrţavanja konstantnog pritiska ubrizgavanja goriva. Duţina impulsa ubrizgavanja se kalkuliše u ECU. Ipak, nepovratni sistemi su potisnuli povratne sisteme. • Sistemi upravljani prema zahtevu za gorivom Gorivo se isporuĉuje prema potrošnji motora i prema pritisku ubrizgavanja, a za dati naĉin rada motora. Radom elektriĉne pumpe za gorivo upravlja ECU, regulacijom napona preko digitalnog modula. Kontrola pritiska goriva je u zatvorenoj petlji, preko davaĉa za gorivo niskog pritiska, ĉime je funkcija mehaniĉkog regulatora pritiska zamenjena. Sistemu je dodat ventil za rasterećenje od povećanog pritiska za vreme prevelike brzine motora (overrun cutoff) i kod iskljuĉenja motora (―topla pumpa‖ diţe pritisak). Prednosti: • Manje energije za pogon pumpe i manje dimenzije pumpe, jer nema viška goriva i pritiska – veća ekonomiĉnost motora • Manje grejanje goriva (emisija para goriva i duţina impulsa brzgavanja) • Regulacija pritiska u širokom opsegu, pokriva i turbo punjenje i vruć start (mehurići goriva usled grejanja od iskljuĉenog motora. • Taĉnija regulacija koliĉine ubrizganog goriva jer ECU raĉuna sa pritiskom goriva preko davaĉa niskog pritiska. • Unapredjene mogućnosti dijagnostike zbog davaĉa pritiska goriva.

Instalacija niskog pritiska za snabdevanje gorivom (direktno ubrizgavanje) Zadatak: Dostavljanje goriva u instalaciju prema pumpi visokog pritiska Pumpe visokog pritiska zahtevaju prethodno snabdevanje gorivom pod niskim pritiskom zbog sprečavanja isparavanja goriva u samoj pumpi. Pare goriva stvara: • Toplota motora u radu • Toplota zaustavljenog motora (pri toplom startu) Tkzv. ―pristupni pritisak‖ (―admission pressure‖), pod kojim pumpa niskog pritiska šalje gorivo pumpi visokog pritiska, spreĉava isparavanje goriva i stvaranje mehurića pare goriva u PVP. To je diskontinuitet u fluidu, koji ometa ispravan rad pumpe, utiĉući na protok i pritisak koji prema zajedniĉkoj magistrali isporuĉuje. Instalacija niskog pritiska je u osnovi neka od instalacija za ubrizgavanje goriva u usisne cevi (indirektno ubrizgavanje). Najbolja varijanta za instalaciju VP: Isporuka goriva na zahtev (druga generacija).

Instalacija visokog pritiska za snabdevanje gorivom (direktno ubrizgavanje u cilindar) • • • •

Pumpa visokog pritiska Snabdeva zajedniĉku magistralu gorivom pod visokim pritiskom (150/200 bar) Zajednička magistrala (―fuel distributor‖) Akumulator za gorivo pod visokim pritiskom (u suštini ―common rail‖, princip kao kod dizel motora) Senzor pritiska (visokog) za ubrizgavanje goriva Koristi ga raĉunar za upravljanje pritiskom goriva u magistrali, ali i za upravljanje pritiskom u instalacije niskog pritiska (ako se u inst. NP moţe regulisati pritisak). Brizgaljke za ubrizgavanje goriva direktno u cilindar Postavljen na zajedniĉkoj magistrali (moguća i razdvojena konfiguracija)

Starija rešenja, kontinualno snabdevanje: • Ventil za kontrolu pritiska za upravljanje pritiskom Propuštanjem viška goriva ka instalaciji niskog pritiska odrţava pritisak u akumulatoru. ObezbeĊuje od nedozvoljeno visokog pritiska (preopterećenja), druga funkcija. Postavljen je na magistrali. Novija rešenja, isporuka goriva na zahtev • Ventil za kontrolu pritiska za upravljanje protokom i pritiskom, integrisan sa PVP • Ventil za ograničenje pritiska ograniĉava maksimalan pritisak u zajedniĉkoj magistrali (preopterećenje), postavljen na magistrali, mehaniĉki ventil, u normalnim uslovima zatvoren. Funkcije upravljanja protokom i pritiskom su razdvojene od funkcije preopterećenja.

Instalacija visokog pritiska DI- konfiguracije U upotrebi su sistemi sa pogonom pumpe preko bregastog vratila: •

•

Kontinualni sistemi (radijalna klipna pumpa vis. prit. sa tri komore) Koliĉina goriva, koju isporuĉuje pumpa visokog pritiska, ne moţe se podesiti. Višak goriva, nepotreban za rad motora i odrţavanje pritiska ubrizgavanja, vraća se u sistem niskog pritiska. Pritisak odrţava ventil za kontrolu (upravljanje) pritiska ubrizgavanja na zajedniĉkoj magistrali potreban za naĉin rada motora (više goriva se propušta kada treba manji pritisak, ĉime se štedi energija za pogon pumpe). Ventil ujedno ima i funkciju zaštite sistema od prevelikog pritiska. (Upravlja ga ECU). Sistemi po zahtevu (radijalna klipna pumpa vis.prit. sa jednom komorom.) Koliĉina goriva, koju isporuĉuje pumpa visokog pritiska, moţe se podesiti. Samo gorivo potrebno za rad motora i odrţavanje pritiska se šalje ka zajedniĉkoj magistrali (ne rasipa se energija na nepotreban pogon PVP). Pritisak goriva je promenljiv i podešava se prema naĉinu rada motora. Podešavanje pritiska ubrizgavanja poĉinje već podešavanjem pritiska u pumpi niskog pritiska. Pristupni pritisak iz PNP u PVP se reguliše tako da u zajedničkoj magistrali bude pritisak potreban za trenutni način rada motora. (Upravlja ga ECU preko dva davaĉa za pritisak, za nizak i visok pritisak). Ventil za ograničene pritiska je dodat na magistralu (uvek) kao zaštita sistema od preopterećenja. U starijim izvoĊenjima ventil za kontrolu i upravljanje pritiskom je na magistrali, a u novijim integrisan u PVP.

Instalacija visokog pritiska DI Uporedne osobine kontinualnih sistema i sistema sa isporukom goriva na zahtev • Kontinualni sistemi – Veća isporuka goriva nego što je potrebno za rad motora povećava potrošnju goriva motora zbog nepotrebne potrošnje energije na pogon pumpe visokog pritiska (pritisak je ipak upravljan prema trenutnom naĉinu rada motora, što rasterećuje pumpu od neprekidnog rada na savlaĊivanju stalno maksimalnog pritiska.) – Višak goriva koji se iz sistema visokog pritiska vraća u sistem niskog pritiska je ugrejan i povišava temperaturu goriva u PVP (manja gustina goriva – duţi impulsi brizgaljki, energija drţanja otvorenih brizgaljki je veća)

• Sistemi prema zahtevu – Nema nepotrebnih gubitaka energije na pogon PVP i grejanja goriva – Sloţenija konstrukcija i upravljanje i sistema niskog i sistema visokog pritiska (ne predstavlja tehniĉki problem, nešto skuplje)

Pumpe niskog pritiska Pogon pumpi niskog pritiska je električnim putem Tipovi pumpi • Sa promenom zapremine (positive displacement) Transport goriva preko malih zapremina, (ćelije) • Hidrokinetiĉke, sa lopaticama (impeler flow) Transport goriva povećanjem kinetiĉke energije fluida (rotacijom) Zahtevi koji se postavljaju za pumpe • Protok goriva Q=50-250 l/h • Pritisak u sistemu 3-6,5 bar (i 7 bar) • Ostvarenje pritiska goriva u radu motora sa 50-60% nominalnog napona pri naponskom regulisanju radom pumpe Električne pumpe za gorivo se koriste za oto motore i kod indirektnog i kod direktnog ubrizgavanja, takoĎe za dizel motore kao pumpe niskog pritiska.

Pumpe niskog pritiska sa promenom zapremine Konstrukcija: • Ulazni deo (stepen) sa pumpnim elementom i hidrauliĉkim ulaznim prikljuĉkom • Srednji deo sa elektromotorom (stalan magnet i ugljene ĉetkice) • Izlazni deo sa nepovratnim ventilom, elektriĉnim prikljuĉkom i izlaznim hidrauliĉkim prikljuĉkom Elektromotor je potopljen u gorivo koje ga hladi. Varniĉenje na ĉetkicama ne moţe upaliti benzin (teĉna faza). Način rada: Male zapremine goriva se uvlaĉe u zatvorene ćelijice na usinoj strani i rotacijom ćelija prenose ka potisnoj strani. Gorivo ulazi u ćelije pod uticajem povećanja zapremine ćelije, a izlazi iz ćelija pod uticajem smanjenja zapremine ćelije. Tipovi u upotrebi: • Krilna pumpa sa valjčićima (roller – cell) • Zupčasta pumpa sa unutrašnjim ozubljenjem (gerotor) • Pumpa sa zavojnim vretenom (screw spindle) (vijĉana)

Pumpe niskog pritiska sa promenom zapremine, osobine • Prednosti – Visok pritisak, 450kPa = 4,5bar – Dobra efikasnost, do 25% – Ravnomerna promena protoka sa promenom napona regulacije pumpe prema protoku

• Nedostaci – Pulsacije pritiska zbog transporta goriva konaĉno malim zapreminama - ćelijama – Moguća buka u instalaciji u zavisnosti od konfiguracije instalacije, prouzrokovana pulsacijama pritiska. (Uticajni faktori su duţina i preĉnici vodova za gorivo i naĉin oslanjanja pumpe na podlogu).

Pumpe niskog pritiska sa promenom zapremine

•

•

Levo: Krilna pumpa sa valjĉićima kao krilima Na usisnoj strani, ka 1 (svetlija boja za niţi pritisak), u smeru okretanja valjĉići se udaljavaju od centra okretanja ploĉe 2 i time povećavaju zapreminu ćelija. Na potisnoj strani, ka 5 (tamnija boja za viši pritisak), u smeru okretanja ploĉe valjĉići se pribliţavaju centru i time povećavaju zapreminu ćelija. U kućištu 4 nalaze se prilazne i odlazne zapremine za gorivo na vezi sa usisnim i potosnim vodom. Desno: Krilna pumpa sa krilima. Isti princip kao i kod valjĉića, ali uz trenje klizanja krila, umesto trenja kotrljanja valjĉića.

Zupĉasta pumpa sa spoljnim i unutrašnjim zupĉanjem

Gore levo: Zupĉasta pumpa sa spoljnim zupĉanjem Dole levo: Zupĉasta pumpa sa unurašnjim zupĉanjem

Unutrašnji zupĉanik ima jedan zubac manje od spoljnog zupĉanika, što povećava prostor ćelije sa gorivom, odnosno zapreminu usisavanja i time protok pumpe

Protok fluida kroz nagnutu cev promenljivog popreĉnog preseka

Pumpe niskog pritiska Hidrokinetiĉke sa lopaticama Konstrukcija: • Ulazni stepen sa pumpnim elementom • Srednji stepen sa elektromotorom (stalan magnet i ugljene ĉetkice) • Izlazni stepen sa nepovratnim ventilom, izlaznim hidrauliĉkim prikljuĉkom i elektriĉnim prikljuĉkom (Ista principijelna trostepena konstrukcija kao i pumpe sa promenljivom zapreminom). Za odstranjivanje mehurića pare iz goriva postoji jedan kanal malog popreĉnog preseka pod odreĊenim uglom i na rastojanju od ulaznog otvora. Ako nema mehurića pare goriva, vrlo mala koliĉina goriva izlazi iz pumpe. (Niska cena za odstranjivanje mehurića pare benzina). Način rada: Pumpni element ima rasporeĊene lopatice samo po periferiji impelera. (Otuda i naziv ―periferne pumpe‖.) Lopatice impelera povlaĉe gorivo kroz ulazni otvor na periferiji ispred lopatica i potiskuju ga kroz izlazni otvor na periferiji iza lopatica, na suprotnoj strani aksijalno od strane ulaznog otvora. Fluid napravi skoro ceo krug pre izlaska iz kola turbine, sve do zaustavljivaĉa (―stopper‖), koji se nalazi izmeĊu ulazne zapremine i izlazne zapremine. Dejstvo ulaznog stepena na stvaranju protoka i podizanju pritiska je trodelno: • Impelersko – usisavanje goriva lopaticama impelera u kolo turbine impelera (aksijalno) • Centrifugalno – stvaranje kinetiĉke energije kruţnim kretanjem fluida (radijalno, n = 7000/min) • Impelersko – stvaranje pritska na promeni kretanja fluida iz kola impelera u srednji stepen pumpe (aksijalno)

Pumpe niskog pritiska, osobine Hidrokinetiĉke sa lopaticama • Prednosti – Visok pritisak, do 500kPa = 5bar – Nema pulsacija pritiska (ravnomerno odrţavanje pritiska) jer je transport goriva kontinualan – Nema buke od pulsacija pritiska – Jednostavnija konstrukcija u odnosu na pumpe sa promenom zapremine – Dobra efikasnost (do 22%)

Zbog većeg pritiska i boljih radnih i konstruktivnih osobina hidrokrilne pumpe su uveliko zamenile pumpe sa promenljivom zapreminom. Ovo posebno vaţi za instalacije niskog pritiska za snabdevanje pumpe pumpi u instalacijama visokog pritiska i dizel i benzinskih motora.

Pumpa niskog pritiska Hidrokinetiĉka*

Sistem za spreĉavanje emisije para goriva u atmosferu (Evap) Uzroci isparavanja goriva Prirodno Isparavanje goriva - benzina u rezervoaru je stalno prisutno (i kad motor ne radi) i raste sa porastom spoljne temperature.

Dodatno isparavanje goriva – ugljovodonika u rezervoaru izazivaju: • Grejanje goriva – Blizina izduvnog sistema i rezervoara – Toplota goriva iz povratnog voda (kod kontinualnih sistema za snabdevanje gorivom)

•

Pad pritiska – Pad atmosferskog pritiska (tekuće prilike) – Penjanje u visine (hidrostatiĉki pad pritiska)

(Evaporative – emissions control system, Evap)

Sistem za spreĉavanje emisije para goriva u atmosferu – naĉin rada Punjenje posude sa aktivnim ugljem* parama goriva •

•

•

Ispareno gorivo stvara nadpritisak u zatvorenom rezervoaru. Otvara se ventil za izlaz vazduha u atmosferu i kroz cevovod iz rezervoara odlaze pare goriva u posudu sa aktivnim ugljem (karbon kanister). Strujanje iz rezervoara prema posudi ostvaruje se pod uticajem razlike pritisaka u sistemu (nadpritisak) i u okolini (atmosferski pritisak). Aktivni ugalj apsorbuje ispareno gorivo, a vazduh sa kojim je ispareno gorivo došlo u posudu sa ugljem, izlazi kroz otvor na posudi u atmosferu. Davač pritiska pare goriva nalazi se na rezervoaru.

Pražnjenje posude sa aktivnim ugljem od para goriva •

• •

Apsorbovano gorivo se iz kanistera, pod dejstvom podpritiska u usisnom vodu, kroz cevovod odvodi u usisni vod. Aktivni ugalj otpušta gorivo koje isparava pod dejstvom podpritiska vazdušne struje prema usisnom vodu. Vazduh iz atmosfere ulazi na isti otvor na kanisteru, kroz koji je izlazio u fazi apsorbcije i kretanjem odnosi pare goriva prema usisnom vodu. U toku resorbcije strujanje vazduha se ostvaruje pod uticajme razlike pritisaka u usisnom vodu (podpritisak) u odnosu na okolinu (atmosferski pritisak).

Sistem za spreĉavanje emisije para goriva u atmosferu – naĉin rada Upravljanje punjenjem i pražnjenjem posude sa aktivnim ugljem • • •

Elektromagnetni ventil u cevovodu izmeĊu kanistera i usisnog voda motora (―purge valve‖ – ventil za proĉišćavanje) otvara i zatvara protok goriva sa vazduhom iz kanistera u usisini vod. Ventilom upravlja ECU. Pražnjenje kanistera vrši se u intervalima u toku rada motora. Računar otvara i zatvara ventil za proĉišćavanje na osnovu pritiska u rezervoaru, podpritiska u usisnom vodu, naĉinu rada motora i zasićenosti posude sa aktivnim ugljem.

Uticaj na sastav smeše • • •

• •

Količina ubrizganog goriva za motor umanjuje se za koliĉinu goriva koja dolazi iz kanistera. Koncentracija goriva koje se dovodi iz kanistera varira i raste sa koliĉinom apsorbovanog goriva, a opada sa smanjenjem – praţnjenjem kanistera. Dotok goriva iz kanistera u usisni vod je ograničen tako da u trenutku otvaranja ventila spoljni poremećaj – dodatno gorivo, ne bude veći od vrednosti sa kojom se moţe smeša dovoljno brzo (odziv SAU na spoljni poremećaj) odrţati u potrebnim granicama. Ograniĉenje je odreĊeno veliĉinom protoĉnih preseka evap-sistema. Sastav smeše motora u toku uzimanja goriva iz kanistera se kontroliše i popravlja  davaĉima. Zadatak je ECU da izraĉuna koliko treba da smanji vreme impulsa ubrizgavanja za brizgaljke (koliĉinu goriva) tako da istovremeno ostvari i dobru vozivost i dobar sastav izduvnih gasova.

Sistem za spreĉavanje emisije para goriva u atmosferu i slojevit rad (DI) Slojevit rad se odvija sa široko otvorenim leptirom (WOT – wide open throttle). Način rada motora u kombinaciji WOT-Evap ima karakteristike homogenog slojevitog rada. (Siromašna smeša iz evapa i sloj iz slojevitog punjenja koji je pali.) Prigušenje u usisnom vodu je manje, time i podpritisak u usisnom vodu. Manja je razlika izmeĊu pritiska u kanisteru i pritiska u usisnom vodu nego pri homogenom radu, kad leptir prigušuje vazduh i stvara veći podpritisak u usisnom vodu. Posledica: Resorbcija goriva iz aktivnog uglja u vidu mešavine goriva i vazduha i odvoĎenje smeše u usisni vod je smanjeno Umanjen protok vazduha iz atmosfere u kanister pa je dotok smeše sporiji, a oteţano isparavanje goriva u aktivnom uglju jer je u sporijoj struji pritisak veći (WOT). Prema tome: Mogućnost usisavanja para goriva iz karbon – kanistera je u principu smanjena pri slojevitom radu. Ako se zasiti aktivni ugalj u posudi, odnosno izgubi moć dalje efikasne apsorpcije para benzina,sistem za spreĉavanje emisije para gubi funkciju. Da bi evap sistem ostao u funkciji motor mora da preĊe na homogen naĉin rada bezuslovno, iako se otpori kretanja vozilu mogu savladati slojevitim punjenjem. Prelaskom na homogeni naĉin rada, sa malo goriva i vazduha, što odgovara opterećenju u slojevitom radu, prigušenje u usisu raste, pa se aktivni ugalj efikasno oslobaĊa para benzina. Kad se aktivni ugalj oslobodi od apsorbovanog goriva i kanister bude sposoban ponovo da akumulira pare benzina, motor moţe da se vrati na slojevit rad.

Šema sistema za kontrolu emisije para goriva*

• Ventil (nepovezan na šemi vozila) je veza sa atmosferom. • Savremeni sistemi omogućavaju spreĉavanje emisije ugljovodonika kroz odušak rezervoara i kod dopunjavanja gorivom. • Potrebno je preĉišćavati i vazduh koji iz atmosfere ulazi u posudu sa aktivnim ugljem, da se ugalj ne zaprlja.

Evap sistem (detaljnija šema) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 8. 9. 10. 12.

13. 14.

Ventilaciona cev Ventilacioni ventil Gravitacioni plutajući ventil Regeneracioni ventil (purge valve), aktivacija za resorpciju para Nepovratni ventil Ekspanzioni sud Cev za punjenje rezervoara Aktivni ugalj (posuda) Leptir gasa Davaĉ pritiska i pumpa za dijagnozu Atmosferski prekidni ventil, aktivacija za apsorpciju i resorpciju para ECU

Preĉišćavanje goriva Prečistač (filter) za gorivo Funkcija Izdvajanje i zadržavanje čestica prljavštine iz goriva. Ĉestice pomešane sa gorivom imaju abrazivno dejstvo koje povećava istrošenje elemenata sistema za ubrizgavanje. Konstrukcija Kućište sa uloškom kao elementom za preĉišćavanje – filtriranje. Oblik preĉistaĉa i prikljuĉci se izvode tako da struja goriva u najvećoj meri istom brzinom prolazi kroz celu zapreminu elementa za preĉišćavanje u cilju poboljšanja efikasnosti izdvajanja ĉestica prljavštine iz goriva i duţine veka elementa za preĉišćavanje. Kućište preĉistaĉa je valjkastog oblika od ĉeliĉnog lima, livenog aluminijuma ili plastike, sa ulaznim i izlaznim prikljuĉkom na sredini baza valjka. Element za preĉišćavanje je namotan u spiralu oko centralne cevi u kućištu ili savijen u obliku radijalne harmonike sa šupljinom oko ose valjka (v – forma). Kod spirale gorivo struji paralelno osi valjka kućišta, a kod radijalnog elementa popreko na osu. Poroznost tkanja odreĊuje veliĉinu ĉestica i otpore strujanju kroz element. Manje pore preĉišćavaju sitnije ĉestice, ali daju veće otpore. Materijal je tkanje od sintetiĉkih impregniranih mikro-vlakana. Postavljanje U potisni vod pumpe za gorivo niskog pritiska. Na vozilu moţe biti u rezervoaru za gorivo, u sklopu pumpe, ili u motorskom prostoru. U motorskom prostoru filtrirajući element se moţe zamenjivati, u rezervoaru se izraĊuje sa duţinom trajanja jednakom radnom veku motora (life time, bolje rešenje, ali za zemlje u kojima je garantovan kvalitet goriva).

Preĉišćavanje goriva Prečistač (filter) za gorivo Princip rada Veće čestice od veličine pora ne prolaze kroz preĉistaĉ. Manje čestice od veličine pora se zaustavljaju adhezijom na naĉin koji zavisi od njihove veliĉine: • Velike ĉestice usled inercije ne prate tok struje, koja naglo menja pravac oko vlakana, već se sudaraju sa vlaknima preĉistaĉa i ostaju na njima pod dejstvom meĊumol. sila. • Manje ĉestice prate tok struje i obilaze vlakna, sve dok se ne probliţe nekom vlaknu na daljinu dejstva meĊumolekularnih sila, koje ih privuku i zadrţe za vlakno. • Najmanje ĉestice se kreću sa strujom, ali u struji imaju i molekularno kretanje (Brown – ovo kretanje), koje ih dovodi u blizinu vlakana, gde ih privlaĉe i zadrţe meĊumolekularne sile. Veličina pora filtera je oko 5 m za direktno ubrizgavanje benzina, 10 m za indirektno ubrizgavanje. Resurs 30.000 – 90.000 km za preĉistaĉe izvan rezervoara, za preĉistaĉe u rezervoaru najmanje 160.000 km. (Za DI i 250000km). Prilikom zamene zbog v – forme savijanja elementa nije svejedno kako se okreće element preĉistaĉa. Ako nema asimetrije prema kućištu filtera, treba se orijentisati prema oznaci (strelica) na elementu za smer struje.

Elementi sistema visokog pritiska za direktno ubrizgavanje benzina sa zajedniĉkom magistralom

HDP1 pumpa visokog pritiska sa tri klipa i zajedniĉka magistrala sa ventilom za upravljanje pritiskom i davaĉem visokog pritiska.

Elementi sistema visokog pritiska za direktno ubrizgavanje benzina sa zajedniĉkom magistralom

HDP5 sa integrisanim ventilom za regulaciju pritiska i zajedniĉka magistrala

Elementi sistema visokog pritiska za direktno ubrizgavanje benzina sa zajedniĉkom magistralom Pumpa visokog pritiska i brizgaljka

Pumpa visokog pritiska* sa tri klipa, ventil za kontrolu pritiska i brizgaljka, u preseku

Pumpa visokog pritiska* sa tri klipa

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Pumpe visokog pritiska, opšte osobine Funkcionalni parametri za snabdevanje gorivom: 1. 2.

Protok [ccm/obr.vr , l/h] Pritisak [MPa, bar]

Pogon klipova/klipa • •

Mehaniĉki, preko bregastog vratila: Ekscentriĉno kruţno kretanje Bregasti par

Konstruktivna IzvoĎenja • Klip sa tri komore bez regulacije protoka Kontinualan maksimalan protok • Klip sa jednom komorom i regulacijom protoka Protok prema zahtevu u visokom pritisku ili i u niskom i u visokom pritisku

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Pumpa visokog pritiska sa tri klipa i kontinualnim protokom Konstrukcija • Raspored klipova radijalan prema pogonskom vratilu sa meĊusobnim uglom od 120 stepeni. Klipovi potiskuju gorivo sekvencijalno i proporcionalno brzini okretanja vratila pumpe. • Pogon vratila pumpe preko bregastog vratila motora. Kruţno kretanje vratila pumpe se preko ekscentriciteta i kruţnog prstena oko ekscentriciteta pretvara u pravolinijsko kretanje podizaĉa klipova. • Podmazivanje bregastog para je gorivom, koje ujedno i hladi pumpu. Prednost: • Oscilacije pritiska su male zbog slednog potiskivanja goriva prema rasporeda klipova. Stoga nema potrebe za ureĊajem za ublaţavanje oscilacija pritiska u usisnom vodu pumpe (attenuator). • Povećana pouzdanost za sluĉaj otkaza pojedinog klipa: Pumpa radi sa preostala dva Nedostatak: • Povećana potrošnja snage - energije za pogon pumpe Protok pumpe je kontinualan i uvek maksimalan za dati broj obrtaja. Pumpa je nuţno konstruisana za maksimalne protoke, koji uzimaju u obzir i rad na punoj snazi, smanjenje gustine goriva zbog grejanja i pad efikasnosti pumpe sa habanjem. Motori najĉešće ne rade na punoj snazi, što znaĉi da se više goriva nepotrebno pumpa. Troši se energija na pumpanje i povećava potrošnja goriva motora. Gorivo odlazi prema magistrali, gde se u ventilu za kontrolu pritiska višak goriva oslobaĊa pritiska* do nivoa pristupnog pritiska u pumpu i šalje na usini deo pumpe.

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Pumpa visokog pritiska sa jednim klipom i kontinualnim protokom Konstrukcija • Jedan klip i u pumpu ugraĊen ventil za kontrolu visokog pritiska. UreĊaj za ublaţavanje oscilacija pritiska i spreĉavanje kavitacije (isparavanja goriva) na strani usisa usled povećanja zapremine pri kretanju klipa (attenuator). • Pogon vratila pumpe bregastim parom preko bregastog vratila motora. Kruţno kretanje bregastog vratila motora se preko podizaĉa pretvara u pravolinijsko kretanje klipa. (Isti princip kao i za otvaranje usisnih i izduvnih ventila). Broj bregova vratila tri (ili više)*. Umesto tri klipa jedan klip, ali tri brega na vratilu, koja daju tri kretanja klipa pumpe. Sa više od tri brega klizni podizaĉ zamenjuje kotrljajni podizaĉ, koji smanjuje trenje i inerciju bregastog para, uz nešto sloţeniju konstrukciju. Moguće je sinhronizovati potisni hod pumpe sa ubrizgavanjem goriva u cilindar. Sinhronizacijom dostave i potrošnje goriva se smanjuje naprezanje vodova visokog pritiska i zapremina magistrale. Broj bregova bregastog vratila tada je isti kao i broj cilindara motora. • Podmazivanje bregastog para je uljem. Prednost: • Jednostavnija konstrukcija smanjenjem broja komora/klipova i time jeftinija izrada. Uske tolerancije sklopova, posebno klipa i košuljice (barrel), poskupljuju izradu sa povećanjem broja klipova pumpe. • Nema suvišne potrošnje energije – manja potrošnja goriva motora. Nedostatak: • Komplikovanija konstrukcija zbog ureĎaja za ublažavanje oscilacija pritiska u usisnom vodu pumpe (attenuator).

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Ventil za upravljanje pritiskom (kontrolu pritiska) Funkcija • Propušta gorivo u vod pod visokim pritiskom prema zahtevima – naĉinu rada motora. Dotok goriva u magistralu se prekida kad pritisak u njoj dostigne vrednost potrebnu za ubrizgavanje prema naĉinu rada motora (dostiţe 150/200 bar za DI). Pri ubrizgavanju goriva u cilindar pritisak u magistrali pada. Senzor visokog pritiska daje infomaciju o pritisku u magistrali. Ventilom upravlja ECU. HDP1: Povećanjem protoĉnog preseka ventil povećava dotok u magistralu, a smanjuje dotok u povratni vod prema usisnom vodu pumpe. Ventil odmerava dotok goriva u magistralu indirektno preko pritiska goriva. HDP2 i HDP5: Otvaranjem i zatvaranjem ventil odreĊuju koliĉinu goriva prema zahtevu (solenoid sa iglom za otvaranje i zatvaranje ventila). Kod HDP2 isporuka poĉinje sa zatvorenim ventilom, (odmah sabija gorivo), a prestaje sa otvaranjem ventila (obaranje pritiska). Kod HDP5 je obrnuto: Ventil je otvoren u poĉetku hoda klipa, (nema sabijanja), a isporuka goriva poĉinje zatvaranjem ventila (isporuĉuje tokom ostatka hoda i nema obaranja pritiska po prestanku isporuke, bolje). Položaj u sistemu • Kod troklipne pumpe (HDP1) ventil je postavljen na ulazu u magistralu (na samoj magistrali), a kod jednoklipne (HDP2 i HDP5) ventil je ugraĊen u pumpu visokog pritiska (nema povratnog voda sa magistrale).

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Uporedne osobine prve (HDP2) i druge (HDP5) generacije jednoklipnih pumpi za isporuku goriva prema zahtevu za potrošnjom Prva generacija, HDP2 • Kontinualan – stalan protok u NP, konstantan pristupni pritisak od elektriĉne pumpe do PVP • Tri ventila: – Ulaz goriva u pumpu (pristupni pritisak, jednosmerni ventil) – Izlaz goriva iz pumpe (visoki pritisak jednosmerni ventil) – Ventil za kontrolu pritiska Gorivo se potiskuje prema magistrali od poĉetka hoda potiskivanja. Ventil za kontrolu pritiska se otvara u hodu potiskivanja klipa, u trenutku kad je isporuĉeno dovoljno goriva na potrebnom pritisku. Gorivo potisnuto u ostatku hoda klipa se vraća posle obaranja pritiska na pristupni pritisak u usisni deo pumpe (nepovoljno). Duţinu hoda klipa od poĉetka sabijanja do trenutka otvaranja ventila, kada se gorivo potiskuje prema usinom delu pumpe pod niskim pritiskom, proraĉunava ECU prema potrebnoj koliĉini i pritisku magistrale.

• • •

Odrivni vod za iscurelo gorivo (evaporacija) UreĊaj za ublaţavanje oscilacija pritiska na usinom delu opruţno – membranskog tipa (attenuator) Klizni bregasti par

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Uporedne osobine prve (HDP2) i druge (HDP5) generacije jednoklipnih pumpi za isporuku goriva prema zahtevu za potrošnjom Druga generacija, HDP5 • Diskontinualan - promenljiv protok NP prema zahtevu, pristupni pritisak od elektriĉne pumpe promenljiv. Manji pristupni pritisci rezultuju manjim izlaznim visokim pritiscima i manjim potrebnim energijama za pogon pumpe. • Dva ventila: – Ulaz goriva u pumpu (pristupni pritisak, jednosmerni ventil) Konstrukcija je izvedena tako da je ulazni ventil ujedno i ventil za kontrolu visokog pritiska. Gorivo (višak) se prvo potiskuje prema usinom delu PVP, od poĉetka hoda potiskivanja klipa (nema nepotrebnog sabijanja i obaranja pritiska kasnije). U ostatku hoda klipa do kraja hoda gorivo se sabija i potiskuje prema magistrali. Duţinu hoda klipa od poĉetka do trenutka zatvaranja ventila, kada se gorivo potiskuje prema usinom delu pumpe pod niskim pritiskom, proraĉunava ECU prema potrebnoj koliĉini i pritisku magistrale. – Izlaz goriva iz pumpe (visoki pritisak, jednosmerni ventil)

• • •

Nema isparavanja goriva (zero evaporation) UreĊaj za ublaţavanje oscilacija pritiska na usinom delu gasno – membranskog tipa (attenuator). Kotrljajni bregasti par

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Zajednička magistrala (―fuel distributor‖, ―common rail‖) Zadaci: • Smeštanje odreĎene količine goriva, pod promenljivim pritiskom ubrizgavanja u zavisnosti od naĉina rada motora • Ravnomeran dovod goriva za sve brizgaljke na zajedniĉkom akumulatoru (―fuel distributor‖) • Nosač za: Brizgaljke, senzor visokog pritiska i (HDP1) ventil za upravljanje pritiskom, ventil za rasterećenje (HDP2) Zapremina magistrale zavisi od potrošnje goriva i pritiska ubrizgavanja. Dimenzije magistrale (preĉnik, duţina i debljina zidova) se biraju tako da imaju prigušno dejstvo (dump) na promene pritisaka usled sukcesivnog ubrizgavanja. Fluktuacije i pulsacije pritiska u magistrali nastaju kod otvaranja brizgaljki (nejednako udaljenje brizgaljki po redosledu ubrizgavanja od prikljuĉka za snabdevanje magistrale gorivom), pad pritiska otvaranjem brizgaljki (gorivo izlazi iz magistrale) i porast pritiska zatvaranjem brizgaljki (PVP dodaje novu koliĉinu goriva pod pritiskom). Fluktuacije pritiska utiĉu na taĉnost koliĉine ubrizganog goriva, jer brizgaljke zahtevaju nominalan i konstantan pritisak. Rezonanse pulsacija pritiska stvaraju zvuĉne talase koji se prenose preko vodova na rezervoar i odatle na vozilo. (Izbegavaju se pogodnim izborom dimenzija magistrale, tj. preĉnika i duţine magistrale-akumulatora i time frekvencije prirodnih oscilacija). Materijal magistrale je nerĊajući ĉelik (legiran hromom), a zidovi magistrale se spajaju tvrdim lemljenjem (za voĊenje mlazom 200 bar). Liveni aluminijum (―školjka‖ ―shell‖, voĊenje zidom/vazduhom, 150 bar ). Bezbednost: Za pritisak direktnog ubrizgavanja od 200 bar, zajedniĉki vod je dimenzionisan tako da izdrţi (250 + 12) bar kada se otvara ventil za ograniĉenje pritiska.(Stepen sig.:1.25+10%)

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Brizgaljke Zadatak: • Ubrizgavanje odreĊene koliĉine goriva u cilindar • Raspršivanje (―atomizacija‖) • Usmeravanje goriva u prostoru za sagorevanje u zavisnosti od naĉina voĊenja zidom/vazduhom ili mlazom kod slojevitog punjenja.* Način rada: Elektromagnetno polje nastalo protokom struje kroz kalem stvara el.magnetnu silu koja diţe iglu sa sedišta ventila nasuprot dejstvu opruge na iglu brizgaljke. Gorivo pod dejstvom pritiska u magistrali (prenetog u brizgaljku) iz brizgaljki ulazi u cilindar. Po prestanku protoka struje prestaje i elektromagnetna sila, pa se igla pod dejstvom opruge vraća na sedište ventila, zatvara otvor ventila i prekida ubrizgavanje. Prelazno stanje kod otvaranja i zatvaranja brizgaljki praćeno je oscilacijama u krajnjim poloţajima (poloţaji otvoreno/zatvoreno). Oscilacije su nepoţeljne, jer remete preciznost duţine impulsa ubrizgavanja. Brizgaljke za direktno ubrizgavanje su u osnovi iste kao i brizgaljke za ubrizgavanje u usisne vodove. Razlika je samo u pritiscima sa kojima rade: Zbog kraćeg raspoloţivog vremena za direktno ubrizgavanje benzina u odnosu na ubrizgavanje u usisne vodove pritisci su veći kod direktnog ubrizgavanja.

Brizgaljka 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Ulaz goriva kroz filter Elektriĉni prikljuĉak Opruga igle Namotaji kalema Kućište Igla Sedište ventila* Otvor za ubrizgavanje

*Sedište ventila se moţe zatvarati i posredno, sfernim telom koje pritiska igla. Postoje brizgaljke sa raznim oblicima otvora, brojevima otvora za ubrizgavanje i pravcima po kojima se gorivo ubrizgava, u zavisnosti od naĉina rada motora i pozicije brizgaljke na motoru

Otvoren model piezo brizgaljke

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Ventil za ograničenje pritiska i rasterećenje od prevelikog pritiska (boost and relief, jedan ventil dve funkcije) •

• •

•

Funkcija bezbednosti Zaštita konstrukcije od preopterećenja u sluĉaju otkaza ventila za upravljanje pritiskom. Ograniĉava pritisak goriva u magistrali prema granici izdrţljivosti materijala elemenata visokog pritiska. Funkcija rasterećenja Ubrizgavanje prestaje za vreme prevelikog broja obrtaja (overrun), dok pumpa i dalje radi i kod gašenja motora. Konstrukcija Mehaniĉki sistem sa oprugom i sfernim metalnim telom za zatvaranje ventila. (Bezbednosni sistem ne sme da zavisi od napajanja elektriĉnom energijom.) Postavljanje Prva generacija HDP2 na magistrali, na (suprotnom kraju od ulaza goriva) Druga generacija HDP5 ugraĊen u pumpu visokog pritiska

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Ventil za ograničenje pritiska u magistrali – funkcija rasterećenja Posle prekida rada motora protok goriva prestaje i magistrala drţi pritisak preko jednosmernog ventila na strani pumpe i zatvorenih brizgaljki na magistrali. Gorivo zatečeno u magistrali greje se toplotom iz motora. Zbog grejanja gorivo se širi, ĉime pritisak u magistrali raste. (Oko 1MPA = 10 bar po 1 stepenu celzijusa). Kad pritisak goriva u magistrali naraste zbog grejanja goriva, sila pritiska na iglu brizgaljke može dostići veličinu koju elektromagnetna sila solenoida brizgaljke ne može da savlada i podigne iglࡵ sa sedišta ventila. (Ispod igle je pritisak u cilindru, oko atmosferskog.) Brizgaljka ne moţe da se otvori, gorivo se ne moॾe ubrizgati u cilindar i zagrejan motor ne može da startuje ponovo u kratkom roku. Motor će moći da startuje kad se ohladi, time ohladi i gorivo, tako da pritisak goriva u magistrali padne do mere da elektromagnetna sila moţe da digne iglu sa sedišta ventila brizgaljke. Funkcija rasterećenja omogućava obaranje pritiska u magistrali tako da sollenoid moţe da podigne iglu brizgaljke i da se gorivo ubrizga u cilindar. Obaranje pritiska vrši se propuštanjem male koliĉine goriva iz sistema visokog pritiska kroz ventil za rasterećenje od pritiska.

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Ublaživač oscilacija pritiska (attenuator) Jednoklipna pumpa u hodu klipa pri povećanju zapremine uvlaĉi gorivo u prostor (komoru) iznad klipa. To stvara nagli pad pristupnog pritiska, jer jednoklipna pumpa ima srazmerno veliku komoru pošto snabdeva ceo motor gorivom visokog pritiska. Istovremeno pumpa niskog pritiska dodaje gorivo pumpi visokog pritiska i sa dodavanjem nastavlja i kad klip pumpe visokog pritiska prestane sa uvlaĉenjem goriva, do pristupnog pritiska. To podiţe pritisak. Nastaju oscilacije pritiska. Kod uvlaĉenja goriva iznad klipa nastaje pad pritiska iznad klipa*. Povratne deformacije instalacije i usisnog kola pumpe, nastale dejstvom pritiska goriva niskog pritiska, su premale da potisnu potrebnu koliĉinu goriva u prostor iznad klipa (Mala deformacija metalnih protoĉnih preseka pod pritiskom goriva). Nastaje kavitacija usled inercije goriva. (Gorivo isparava, pojavljuju se zapremine popunjenje parama goriva, a ne samim gorivom). Ublaživač ima dve funkcije: 1. Odrţavanje oscilacija pritiska u sistemu NP u zadatom intervalu oko pristupnog pritiska* 2. Spreĉavanje kavitacije kod uvlaĉenja goriva u prostor iznad klipa dodavanjem potrebne koliĉine goriva.

Elementi sistema za direktno ubrizgavanje sa zajedniĉkom magistralom Ublaživač oscilacija pritiska (attenuator) Konstrukciju ĉini: • Komora za smeštanje goriva • Pregrada • Elastiĉan element* Ublaţivaĉ oscilacija – attenuator, je sastavni deo pumpe visokog pritiska, postavljen na strani niskog pritiska (ulaz u pumpu VP). Pregradu komore za gorivo ĉini mebrana koja deli komoru na dva dela. Deo komore je ispunjen gorivom i nalazi se iznad klipa PVP, a deo sa druge strane membrane je prazan i u njemu se nalazi elastiĉan element (opruga HDP2, gas pod pritiskom HDP5). Funkcija (način rada) Kada klip VP ne uvlaĉi gorivo pumpa niskog pritiska puni deo komore sa gorivom u attenuator-u, gorivo pritiska membranu i preko mebrane elastiĉan element, koji se sabija. Kada klip VP uvlaĉi gorivo sila u elementu gura membranu i potiskuje gorivo prema klipu. Ublaţivaĉ na hodu h sabijanja opruge prima i zadrţava rad A = Fc*h kod porasta pritiska, gde je sila u elast.el. u ravnoteţi sa silom pritiska na membranu Fc=pS. Rad se vraća kod pada pritiska. S je površina membrane pod pritiskom p goriva. Za silu u opruzi vaţi Fc= -ch, gde je c krutost opruge ili elast el. Krutost c opruge je izabrana tako da odgovara pristupnom pritisku uz uslov da je radni hod opruge kratak kako bi se membrana što manje savijala - materijal membrane minimalno zamarao i radni vek bio dug. Primljeni rad A, nastao u hodu h opruge pri sabijanju, smešta se u vidu potencijalne energije kao sila u opruzi, a vraća se u povratnom hodu opruge**.

Funkcionalna šema direktnog ubrizgavanja benzina

Aktivno upravljanje ventilima

Aktivno upravljanje ventilima Klasiĉno bregasto vratilo (osovina) uvek otvara i zatvara ventile na istom uglu prema kolenastom vratilu i podiţe ih na istu visinu bez obzira na naĉin rada motora. Šema razvoda ventila je konstanta. Razvod radnog tela odvija se na isti naĉin i pogodan je samo za jednu radnu taĉku brzine motora. Nepromenljivi parametri razvoĊenja svode se na pasivno* upravljanje ventilima. Punjenje, paljenje i razvoĎenje su tri osnovna elementa kojima se upravlja motorom. Najteţe je u tehniĉkom smislu ostvariti upravljanje razvodom radnog tela.

Aktivno upravljanje ventilima omogućava da se za svaki način rada motora razvoĎenje radnog tela obavlja optimalano. Uobiĉajeni strani nazivi na engleskom jeziku su: VVT: Variable Valve Train – promenljiva serija ventila (Uopšte) FVVT: Fully Variable Valve Train – Potpuno promenljiva s.v. AVT: Active Valve Train – aktivna serija ventila (Lotus)

Aktivno upravljanje ventilima Parametri upravljanja ventilima su • Uglovi otvaranja i zatvaranja (valve phase) • Visine izdizanja (valve lift) Upravljanjem razvoda kontroliše se • Punjenje cilindra sveţom smešom • Ispiranje cilindra • Recirkulacija izduvnih gasova Prednosti u odnosu na nepromenljiv razvod • Veća snaga motora • Bolji tok krive momenta • Smanjena potrošnja goriva • Smanjena toksiĉnost izduvnih gasova (posebno azotnih oksida) • Stabilniji rad na manjim brzinama motora • Eliminisanje leptir-klapne za upravljanje punjenjem oto motora Upravlja se radom i usisnih (primarno) i izduvnih ventila. Aktivno upravljanje ventilima čini prigušni leptir nepotrebnim.

Aktivno upravljanje ventilima Faze otvaranja i zatvaranja usisnih ventila PoreĊenje sa konstantnom šemom razvoda •

Male brzine motora Usisni ventil se otvara kasnije (late intake valve opening, timing retardation) Smanjuje se preklapanje ventila. Preklapanje ventila je uvedeno za visoke brojeve obrtaja da bi se poboljšalo ispiranje cilindra od produkata sagorevanja posredstvom kinetiĉke energije struje sveţe smeše. Na malim brojevima obrtaja talas nadpritiska* izduvnih gasova nasuprot ustrujavanju sveţe smeše ima dovoljno energije da deo izduvnih gasova potisne kroz usisni ventil u usisni vod. (n1). Zapreminska efikasnost pri startu motora sa sabijanjem vazduha turbinskim kompresorom moţe biti manja od jedan (100%) i manja od efikasnosti atmosferskog motora. Pri startu motora turbokompresor ne daje nadpritisak zbog malog broja obrtaja motora i time malog protoka izduvnih gasova za pogon kompresora. Pritisak je tako manji i na kraju takta sabijanja od pritiska koji ostvaruju motori sa prirodnim usisavanjem.

Turbo – punjeni dizel motori, kod kojih se paljenje smeše vrši toplotom iz sabijenog vazduha, imaju zbog manje kompresije oteţan start hladnog motora. Nedovoljno sabijen vazduh nema dovoljno visoku temperaturu ni dovoljno toplote, da upali gorivo. Rešenje se nalazi u dodavanju grejaĉa u cilindre kao pomoćnih izvora toplote. Grejaĉi deluju pri hladnom startu, a iskljuĉeni su kad motor ima radnu temperaturu. Grejaĉi su nepoţeljni, jer narušavaju oblik prostora za sagorevanje.

Nadpunjenje - Vrste Dva osnovna naĉina za nadpunjenje motora su:

1.

Dinamičko Zasnovno na osobinama dinamike struje realnog gasa i oscilovanja poremećajnih talasa pritiska (Ne koriste energiju za pogon)

2.

Kompresorsko

Primenom ureĊaja za sabijanje vazduha (Koriste energiju za pogon, dobijenu sa kolenastog vratila ili od izuduvnih gasova)

Dinamiĉko nadpunjenje Princip rada Dinamičko nadpunjenje zasniva se na rezonantnom oscilovanju struje gasa u usisnom vodu (manifold).

Talasi promene pritiska su: • Talasi nadpritska (kompresioni) • Talasi podpritiska (ekspanzioni) Nastanak talasa podpritiska: U taktu usisavanja u trenutku otvaranja usisnog ventila usled razlike pritisaka u cilindru (manji) i u usisnom vodu (veći) nastaje talas podpritiska u usisnom ventilu. (Ekspanidrani talas/gas). Prenošenje talasa podpritiska Talas podpritiska se kreće od usisnog ventila cilindra kroz usisini vod prema otvorenom kraju usisnog voda. Istovremeno, vazduh struji u suprotnom smeru: Kroz usisni vod prema cilindru. Odbijanje talasa podpritiska Talas podpritiska se odbija kada naiĊe na promenu popreĉnog preseka kao isti ili kao razliĉit tip: • Kao različit tip kad se protoĉni presek struje naglo širi. Na mestu proširenja brzina struje opada, a pritisak u struji raste. Odbijeni talas podpritiska vraća se sa mesta proširenog popreĉnog preseka kao talas nadpritiska. (Komprimovani talas ili gas). • Kao isti tip kad se protoĉni presek struje naglo suţava. Na mestu suţenja brzina struje raste, a pritisak u struji opada. Odbijeni talas vraća se kao talas podpritiska.

Dinamiĉko nadpunjenje Princip rada Oscilovanje talasa promene pritiska Otvoren usisni ventil Na otvorenom kraju usisnog voda presek se naglo povećava u kućištu preĉistaĉa (ili kod veze sa atmosferom), pa se pristigli poremećajni talas podpritiska odbija kao talas nadpritiska prema usisnom ventilu. Na usisnom ventilu protoĉni presek se naglo smanjuje u odnosu na protoĉni presek usisnog voda, pa se pristigli poremećajni talas nadpritiska odbija kao talas podpritiska prema kraju usisnog voda. Daljim ponavljanjem odbijanja talasa promene pritiska nastaje pulsiranje u usisnom vodu. Zatvoren usisni ventil Kada se usisni ventil zatvori, prvi pristigli talas nadpritiska se odbija o fiziĉku prepreku kao (novi) talas nadpritiska, većeg pritiska od pristiglog. Prema tome, slika strujanja je u usisnom vodu vrlo nestacionarna.

Poremećaj pritiska Nastanak, prenošenje i odbijanje talasa a = brzina zvuka b = brzina struje 1. 2. 3.

4.

Otvaranje usisnog ventila i stvaranje poremećajnog talasa ekspanzije Talas ekspanzije kreće se prema otvorenom kraju cevi Talas ekspanzije odbija se od otvorenog kraja cevi kao talas kompresije i kreće prema usisnom ventilu Talas kompresije nailazi na zatvoren usisni ventil i odbija se kao talas kompresije.

Dinamiĉko nadpunjenje Princip rada UvoĎenjem pulsacija talasa pritiska u usisnom vodu u rezonancu u vreme takta usisavanja ostvaruje se dinamičko nadpunjenje. Vazduh osciluje: Kao opruga u usisnoj cevi, ―stub‖ vazduha bez rezonatora Kao masa u usisnom vodu sa Helmholz – ovim rezonatorom.

Vazduh u rezonatoru deluje kao opruga za masu vazduha u usisnoj cevi. Na nadpunjenje dinamikom struje utiĉu: • Osobine gasa • Brzina motora • Geometrija usisnog voda: Popreĉni preseci, duţina i oblik usisnog voda odreĊuju osobine strujanja

Helmholz – ov rezonator, poreĊenje sa mehaniĉkim sistemom i primena na usisini sistem

Rezonantna frekvencija Helmholz - ovog oscilatora A2 P0 H    rad s  mV0 A

AVP0 V , H   L mLV0



PA m , H   0 V  LV0

v 

P0



fH 

H 2

fH 

v 2

, H  v

A LV0

Kružna frekvencija Helmholzovog oscilatora H SvoĊenje na v brzinu struje i geometriju usisnog kolekt., A,L =1.4, adijabatski koeficijent specifiĉne toplote za dvoatomni gas – vazduh A = popreĉni presek usisnog voda P0 = statiĉki pritisak u rezonatoru (atmosferski) m = masa gasa u usisnom vodu V0 = statiĉka zapremina rezonatora (na atmosferskom prit.) V = zapremina usisnog voda L = duţina usisnog voda

A  Hz  LV0

 = gustina vazduha v = brzina zvuka* u gasu (brzina kretanja talasa poremećaja pritiska) fh = rezonantna frekvencija Helmholzovog oscilatora

Manipulacija rezonantnom frekvencijom Helmholz – ovog oscilatora (diskusija)

fH 

v 2

A LV0

Povećanje poprečnog preseka A usisnog voda i dužine L povećava masu vazduha u usisnom vodu, time i inerciju vazduha. Potrebne su veće sile za pokretanje struje. •

• •

Povećanje poprečnog preseka A usisnog voda povišava rezonantnu frekvenciju (v.formulu). Fiziĉki: U rezonator ulazi više vazduha iz poremećajnog talasa i sabijanje vazdušne opruge u rezonatoru je veće. Treba manje vremena da se vazdušna opruga sabije. Povećanje dužine L usisnog voda sniţava rezonantnu frekvenciju oscilovanja (v.formulu). Fiziĉki: Produţava se put koji premećajni talas treba da preĊe, što traţi više vremena. Povećanje zapremine V0 rezonatora sniţava frekvenciju oscilovanja (v.formulu) Fiziĉki: Veća koliĉina vazduha u rezonatoru traţi veću koliĉinu vazduha iz talasa nadpritiska da se sabije na isti pritisak. To je mekša opruga sa duţim periodom sopstvenih oscilacija. Zapremina rezonatora treba da se povećava za smanjenje kruţne frekvencije i obrnuto. Vazduh zapremine V0 predstavlja konstantu krutosti vazdušne opruge u rezonatoru.

Zakljuĉak: Za istu zapreminu vazduha V0, uzetu kao konstantu opruge • Za manje rezonantne frekvencije koje odgovaraju manjim brzinama motora, treba smanjivati odnos A/l, odnosno smanjivati poprečne preseke i povećavati dužine usisnog voda. • Za veće rezonantne frekvencije koje odgovaraju većim brzinama motora treba povećavati odnos A/l, odnosno povećavati poprečne preseke i smanjivati dužine usisnog voda.

Duţina usisnog voda u zavisnosti od broja obrtaja* Intake Runner Length vs. RPM

Intake Runner Lenth (m)

6 5

Intake Runner Length vs. RPM

4 3 2 1 0 0

2000

4000 Engine RPM

6000

8000

Uticaj duţine i preĉnika usisne cevi na zapreminsku efikasnost Ostvarena je zapreminska efikasnost veća od 1 (>100%) sa duţinom cevi od 32.5‖ (82.5 cm) na brzini oko 3500 i sa duţinom cevi 21.5‖ (54.6 cm) pri brzini motora oko 4000 o/min* Dinamiĉkim nadpunjenjem moţe se ostvariti zapreminska efikasnost do 1.1 (110%), bez komplikacija koje sa sobon nosi nadpunjenje sa pogonom.

Upravljanje kretanjem struje punjenja kod slojevitog punjenja i stvaranje vrtloga Stvaranje intenzivnog vrtloga u struji vazduha upravljanjem struje omogućava dobru homogenizaciju smeše u cilindru. Ravnomeran raspored goriva u smeši sa vazduhom daje dobro sagorevanje sa malom emisijom otrovnih komponenti. Elementi kojima se ostvaruje intenzivan vrtlog: • Klapna u usisnoj cevi (ventil) Deli usisnu cev na dva dela. Smanjenje protoĉnog preseka usisne cevi ubrzava struju na ulasku u cilindar. Poloţajem klapne ventila se moţe upravljati kontinualno (ECU). • Konstrukcija usisne cevi Ugao usisne cevi prema osi cilindra je podešen za stvaranje vrtloga u cilindru oko date ose. Oblik cevi na ulazu u cilindar prilagoĊen je ugradnji klapne. • Usmeravajuća površina u/na klipu (deflektor) Vazdušna struja se okreće deflektorom oko ose paralelne osi cilindra (swirl) ili (xor) oko ose paralene osovinici klipa (tumble). • Pravac brizgaljke u vreme ubrizgavanja Kod voĊenja zidom prema usmeravajućoj površini na klipu, zajedno sa strujom vazduha. Kod voĊenja vazduhom Iznad usmeravajuće površine na klipu, prema formiranom vrtlogu. Dobija se dobro homogenizovana smeša u sloju zbog vrtloženja. Gorivo se ne ubrizgava samo u vreme sabijanja nego i ranije u slojevitom radu, čak u vreme usisavanja. Pri velikim brzinama motora i homogenom radu klapna se otvara, jer je potreban ceo protoĉni presek usisne cevi, a brzina struje je dovoljnaza vrtloţenje.

Upravljanje strujom punjenja i usisavanja

Levo: Homogen rad, Desno: Slojevit rad, voĊenje sloja vazdušnim jastukom (pravac brizgaljke iznad klipa i usmeravajuće površine za vazduh na klipu). Prevrtanje vazduha (tumbling) paralelno osi osovinice klipa se ostvaruje klapnom u usisnom vodu i usmeravajućom površinom na klipu.

Dinamiĉko nadpunjenje oblici izvoĊenja Na osobine gasa (sveţeg punjenja) se ne moţe uticati, a ni na brzinu motora u toku rada jer je spoljni zahtev. Za dinamiĉko nadpunjenje preostaje kao mogućnost oblikovanje usinog voda – popreĉnih preseka i duţine cevi. Dugaĉke i uske cevi koje odgovaraju sporim strujanjima su uvek savijene zbog ograniĉenja prostora. Kratke i široke cevi, koje odgovaraju brzim strujanjima, mogu biti prave.

Konfiguracije (oblici) usisinih vodova • • • •

Pojedinačni vodovi konstantne dužine i poprečnog preseka (hidrauliĉne cevi – ram pipe) Nepromenljiva geometrija rezonantne zapremine i dužine cevi (podešen usisini pritisak – tuned intake pressure) Promenljiva geometrija rezonantne zapremine i promenljive dužine cevi (podešen usisini pritisak i podešena duţine cevi – tuned intake pressure and tuned tube; variable geometry intake manifolds) Promenljiva dužina voda i promenljiv poprečni presek usisa (hidrauliĉni cilindri – ram tube)

Dinamiĉko nadpunjenje pojedinaĉni vodovi Pojedinačni vodovi konstantne dužine i poprečnog preseka (ram pipe) • • • •

Pojedinačne cevi za svaki cilindar povezane sa zajedniĉkom kutijom za vazduh (plenum, airbox) Nema Helmholzovog rezonatora, talasi pritiska osciluju u pojedinaĉnim cevima usisnih vodova nezavisno jedni od drugih Dužine L cevi su podešene prema broju obrtaja tako da odbijeni talas nadpritiska u struji stigne na usisni ventil u trenutku njegovog otvaranja Poprečni preseci A su podešeni prema radnim zapreminama

•

Dugačke i uske cevi odgovaraju manjim brzinama, kratke i široke cevi većim brzinama

•

Rezonantni efekti se ostvaruju u uskim podruĉjima brzina, kao jedna radna taĉka. Mogu se birati niski ili visoki (xor) brojevi obrtaja, moment ili snaga. Kinetiĉka enrgija struje u usisnom vodu se moţe povećati ako se usisni vod poveţe sa atmosferom na naĉin da se koristi kretanje vozila (F1, ali i putniĉki automobili).

•

Dinamiĉko nadpunjenje Nepromenljive rezonantne zapremine Nepromenljiva geometrija rezonantne zapremine i dužine cevi (tuned intake press.) • Helmholzovi rezonatori se sastoje od kutija (dve), u kojima vazduh deluje kao opruga, i vodova od rezonatora ka kutiji za vazduh (plenum, airbox), po jedan vod za svaki rezonator. • Jedan rezonator služi za nekoliko cilindara (tri) i povezan je sa cilindrima kratkim pojedinaĉnim cevima. • Dužina L cevi, poprečni presek A cevi (tuned tubes) i rezonator V0 podešavaju se prema brzini na kojoj treba da doĎe do rezonantnog efekta za nadpunjenje (tuned intake pressure) • • •

•

Grupisanje cilindara se vrši po redosledu usisavanja zbog sinhronizacije frekvencije oscilovanja. Isto kao cilindri sa jednakim uglovnim rastojanjem po paljenju. Nesusedno paljenje, parni i neparni cilindri po redu paljenja ĉine grupu. Talasi pritiska osciluju u rezonatorima u vreme kada su usisni ventili otvoreni i oscilacije su prinudne, a u vreme kada su usisni ventili zatvoreni oscilacije su prirodne. Nadpritisak koji se stvara u rezonatoru, koristi se za nadpunjenje cilindara. Primena rezonatora daje bolji efekat nadpunjenja u odnosu na cevi bez rezonatora, ali je sistem osetljiviji na nagle promene opterećenja. Helmholz – ov rezonator povećava koliĉinu vazduha u usisnom vodu, time raste inercija vazduha. Brze promene broja obrtaja zahtevaju brze promene frekvencije oscilovanja, a zbog povećane inercije vazduha rezonantni efekat nema dovoljno vremena da se ostvari u prelaznom reţimu. Rezonantni efekti se ostvaruju u uskim područjima brzina kao jedna radna taĉka (visoki/niski (xor) brojevi obrtaja), odnosno okolina radne taĉke po broju obrtaja. Napomena: Niski brojevi obrtaja su oni koji odgovaraju maksimalnom momentu, a visoki brojevi obrtaja oni koji odgovaraju maksimalnoj snazi.

Dinamiĉko nadpunjenje Promenljive rezonantne zapremine Promenljiva geometrija rezonantne zapremine i promenljive dužine cevi (combined tuned intake pressure and ram pipe; variable geometry intake manifolds) • Helmholzov rezonator se sastoji od jedne kutije za sve cilindre i dva usisna voda, povezana sa kutijom za vazduh (plenum) • Rezonator menja zapreminu pomoću klapne na sredini koja zatvaranjem deli rezonator na dva jednaka dela (po tri cilindra) • Protočni preseci menjaju duţinu preko iste klapne koja deli rezonator na dva dela. Način rada a. Zatvorena klapna deli rezonatar na dva manja jednaka rezonatora zapremine V0. Cev u struji iznad rezonatora se podešava duţinom i presekom na rezonantnu frekvenciju sa polovinom zapremine vazduha u rezonatoru. Podešava se za niţe frekvencije – manje brojeve obrtaja. Sistem radi na naĉin opisan kao nepromenljive rezonantne zapremine (ram pipe) sa duţim cevima prema rezonatoru podešenim za niske frekvencije, odnosno manje brojeve obrtaja. b. Otvorena klapna spaja dva rezonatora u jedan dvostruko veći, 2V0. Pojedinaĉne cevi u struji ispod rezonatora se podešavaju duţinom i presekom na rezonatnu frekvenciju celom zapreminom vazduha u rezonatoru. Podešava se za više frekvencije – veće brojeve obrtaja. Sistem radi na naĉin opisan kao pojedinaĉni vodovi (ram pipe) ĉije su kratke cevi prema cilindrima podešene za visoke frekvencije, odnosno veće brojeve obrtaja.

Dinamiĉko nadpunjenje Promenljive duţine i preĉnici vodova Promenljiva dužina voda i promenljiv poprečni presek usisa (ram tube) •

Cevi usisnog voda zavojnog oblika povezane su sa kutijom za vazduh

Način rada: a) b)

Zatvorena klapna usmerava vazduh kroz vod sa većom duţinom L i manjim popreĉnim presekom A. Frekvencija oscilacija je za niţi broj obrtaja. Otvorena klapna usmerava vazduh kroz vod sa manjom duţinom L i većim popreĉnim presekom A. Frekvencija oscilacija je za viši broj obrtaja.

Sistem je bez rezonatora, ali ima mogućnost da radi za dve radne taĉke – broja obrtaja na oscilatornom principu, kao i pojedinaĉni vodovi (ram pipe).

Izgledi usisnih sistema

Dinamiĉko nadpunjenje Promenljive duţine i preĉnici vodova

Kompresorsko nadpunjenje Princip i osnove Vazduh se sabija kompresorom pre ulaska u cilindar. Sabijenom vazduhu temperatura raste*. Negativni efekati porasta temperature su: • Smanjenje gustune vazduha ReĊi vazduh ima manje kiseonika za sagorevanje, pa se moţe dodati manje goriva, što znaĉi manje toplote za mehaniĉki rad i time manji moment. • Viša početna temperatura sabijanja Rezultat je viša krajnja temperatura u taktu sabijanja i time uslovi za detonativno sagorevanje kod oto motora.

Dodaje se (meĎu) hladnjak (intercooler) za hlaĎenje (odvoĎenje toplote sa) sabijenog vazduha posle izlaska iz kompresora, a pre ulaska vazduha u cilindar.

Kompresorsko nadpunjenje Naĉin pogona i vrste kompresora Povećanje snage motora, maksimalne brzine, Vmax = const, savlaĊivanje otpora, ranije, a Povećanje momenta motora na malim brojevima obrtaja M = Mmax(n=nmin), sada. • Bolje ubrzanje u najširem podruĉju broja obrtaja. • Smanjenje dimenzija (downsizing)*. Dovoljno veliki moment već na malim brojevima obrtaja omogućava smanjenje veliĉine motora Pogon i vrste kompresora, najĉešće: •

Mehanički, energijom uzetom sa kolenastog vratila (―ţiva energija‖.) Malim zapreminama (positive displacement)**: – Rut (Root) bez unutrašnje kompresije, samo pokretanje fluida – Vijčani (par zavojnih vretena) sa unutrašnjom kompresijom

•

Turbinski, energijom izduvnih gasova (entalpija) Centrifugalno, kinetiĉka energija rotacije pogonske trubine pretvara se u pritisnu energiju u izlaznom kolu turbokompresora. Turbomašina sa pogonskom i pogonjenom grupom. Zajedniĉko vratilo na kome se nalaze pogonski turbomotor i pogonjen turbokompresor.

Mehaniĉki kompresori Naĉin rada i osobine Upravljanje pritiskom nadpunjenja •

Paralelni vod (bypass) sa ventilom za otvaranje paralelnog kružnog toka (ECU) Sa porastom broja obrtaja protok raste, pa se deo vazduha pod pritiskom iz toka prema cilindru otvaranjem ventila paralelnog toka upućuje kroz paralelni tok natrag na ulaz u kompresor.Time se štedi energija, jer je vazduh u povratnom vodu već sabijen. • Uključno - isključne spojnice Mehaniĉke i elektromagnetne spojnice se koriste za ukljuĉivanje i iskljuĉivanje kompresora. Kompresor se iskljuĉuje na većim brzinama, ako u sistemu nadpunjenja postoji i turbokompresor jer su mehaniĉki kompresori pogodni za manje brzine motora i iskljuĉuje se na manjim opterećenjima motora zbog štednje goriva. Spojnice komplikuju i poskupljuju konstrukciju. Prednosti • Trenutni porast pritiska sa porastom brzine motora (praktiĉno) Mehaniĉka – direktna veza sa pogonom povećava broj obrtaja kompresora istovremeno sa povećanjem broja obrtaja motora. Motor odmah razvija veći moment kod zahteva za ubrzanjem, pa je ubrzanje u prelaznom reţimu bolje, a odziv brţi. • Jednostavna konstrukcija (relativno) • Termiĉko naprezanje zanemarljivo Nedostaci • Uzimanje aktivne snage – dela razvijene motora za pogon • Povećana potrošnja goriva (posledica), popravka za mala opterećenja iskljuĉenjem preko spojnice

Root – ov kompresor

Dugi klipovi koji rotiraju bez meĊusobnog dodira i dodira sa kućištem. Pogon klipova je preko spoljnog zupĉastog para, po jedan zupĉanik za svaki klip. Naĉin sabijanja vazduha je kao kod zupĉaste pumpe za ulje – male zapremine. Kompresor ne stvara unutrašnji pritisak, nema sabijanja vazduha u ćeliji, vazduh se samo transportuje. Pritisak se stvara u potisnom vodu zbog prinudnog kretanja vazduha. Nedostaci: Ćelija sa vazduhom je u dolasku na potisni vod na niţem pritisku od pritiska u potisnom vodu, gde je vazduh sabijen. Vazduh se vraća iz potisnog voda u ćeliju kad ćelija pristigne do potisnog voda. Pritisak u potisnom vodu pada. Gubi se već uloţena energija za stvaranje nadpritiska. Zatim se iz ćelije vazduh potiskuje natrag u potisni vod, kako se zapremina ćelije prema potisnom vodu smanjuje. Vazduh se usled vrtloţenja greje i njegova temperatura u potisnom vodu raste. Smanjuje se gustina vazduha u potisnom vodu.

Mehaniĉki kompresor Root

Lysholm – ov kompresor

Lysholm – ov kompresor unutrašnje sabijanje vazduha

•

Vazduh zahvata ―muško‖ i ―ţensko‖ rotirajuće telo, koji se meĊusobno spreţu (sliĉno zupĉastom paru) i potiskuju ga aksijalno. • Kod transporta vazduha pritisna površina se smanjuje sa rotacijom, a raste pritisak. Stoga snaga za pogon ostaje pribliţno ista. • Pritisak se gradi u samom kompresoru (kod rutovog kompresora u potisnom vodu) Rutov i Lysholmov kompresor sabijaju vazduh uvek. Na ulasku u kompresor mora zato postojati prigušna klapna, kojom će se zatvoriti usis kopresora i time spreĉiti gradnja pritiska kada pritisak nije potreban. Napr. kad je opterećenje motora malo, pa sabijanje vazduha nije potrebno, a kompresor svejedno radi i odnosi snagu motoru (ekonomiĉnost).

Mehaniĉki kompresor Lysholm

Lysholm – ov kompresor

Mehaniĉki kompresor uparena zavojna vretena*

Mehaniĉki kompresor Lysholm – ov kompresor sa spojnicom

Mehaniĉki centrifugalni kompresor

Turbokompresorsko nadpunjenje*

Turbokompresorsko natpunjenje troši energiju koja se gubi sa izduvnim gasovima (utilizacija energije) uz sledeća oraniĉenja: • Prema dijagramu za izmenu radnog tela bez nadpunjenja odbaĉena energija je samo ona koja od trenutka otvaranja izduvnog ventila sledi krivu ciklusa do pritiska koji u ostatku izduvavanja više ne opada. (Posle toga je entalpija konstantna*). Kad pritisak izduvavanja prestane da opada, u daljem kretanju klipa nema štednje energije. Klip svojom površinom u radnom prostoru potiskuje izduvne gasove kroz izduvni ventil. • Prema zamisli da se već na malom broju obrtaja dobije veći moment, postoji na velikim brojevima obrtaja višak izduvnih gasova, odnosno energije izduvnih gasova u vidu entalpije. Višak izduvnih gasova (energije) se odbacuje eksplicitno kroz vod sa barijerom (wastegate) ili implicitno, usmeravanjem toka struje paralelno deflektorima (VTG – Variable Turbine geometry). • Ometanje izduvavanja jer turbina u izduvnom vodu predstavlja prepreku slobodnom isticanju izduvnih gasova u atmosferu u vreme ―konstantne entalpije‖. (To vaţi za ceo proces izduvavanja). Ipak, ušteda energije preko utilizacije izduvnih gasova je evidentna.

Turbokompresor sa barijerom u vodu za višak izduvnih gasova (wastegate) Naĉin rada i osobine

• Rotoranje lopatica kompresora daje kinetiĉku energiju vazduhu, koji usled centrifugalne sile izlazi iz turbine. To stvara podpritisak u kompresoru pa spoljni vazduh ulazi pod uticajem razlike pritisaka u atmosferi (veći) i u kompresoru (manji) aksijalno. (Plavo). • Na strani pogona izduvni gasovi ulaze u pravcu lopatica, a izlaze u aksijalnom pravcu. (Crveno).

Tok struje vazduha kroz centrifugalni kompresor

Rotor kompresora i rotor kompresora sa turbinom na zajedniĉkom vratilu

Uleţištenje vratila turbokompresora

Turbokompresor Sklop rotacione grupe sa kotrljajnim leţajima*

Temperatura metalnih delova turbokompresora posle gašenja motora

Šema sistema za nadpunjenje turbokompresorom sa barijerom

Crvena boja pripada toku struje izduvnih gasova. Smer toka struje oznaĉavaju strelice. Plava boja pripada toku komprimovanog vazduha. Tamnija plava boja odgovara vazduhu pod većim pritiskom u odnosu na svetliju plavu boju. U meĊuhladnjaku nijansa plave boje se menja od tamnije na svetliju: HlaĊenjem temperatura vazduha opada, jer se vazduhu odvodi toplota, a sa padom temperature opada i pritisak. Smer toka struje oznaĉavaju strelice. Turbokompresor ima aksijalan ulaz vazduha, oznaĉen belom strelicom (spoljna sredina), a radijalan izlaz sabijenog vazduha. Turbomotor ima radijalan ulaz, aksijalan izlaz izduvnih gasova u okolinu, oznaĉen crvenom strelicom. Turbokompresor ima integrisan barijerni vod (ili paralelni) (wastegate). (Na šemi nema ventila za kontrolu pritiska komprimovanog vazduha, kruţni tok (divert) ili odbacivanje (dump, blowoff) komprimovanog vazduha.)

Turbokompresor sa barijerom u vodu za višak izduvnih gasova (wastegate) Naĉin rada i osobine

Upravljanje pritiskom nadpunjenja •

Izlazni vod za izduvne gasove sa barijerom (wastegate) – ventilom paralelno turbomotoru Ventil – klapnu za otvaranje paralelnog toka izduva pokreće servoventil, njega upravljaĉki ventil koji kontroliše (ECU). Brzina okretanja turbokompresora zavisi od brzine izduvnih gasova (kinetiĉka en.), ali i od opterećenja motora (entalpija). Sa porastom ukupne energije raste deo izduvnih gasova koji se kao višak (škodljiv) za pogon kompresora propušta u paralelni tok i sa njim gubi energija (waste).* • Kružni skretni vod za sabijen vazduh (divert air)** sa servoventilom i upravljaĉkim ventilom za servoventil koji kontroliše (ECU) Kada je leptir potpuno zatvoren protok vazduha u kompresorskom kolu se usmerava u kruţni tok otvaranjem skretnog ventila. Time se izbegava stvaranje buke, kavitacije i odrţava brzina turbinskog/kompresorskog kola odrţavanjem slike strujanja. Kompresor se nikad ne zaustavlja kad motor radi, ĉak ni pri najmanjim brojevima obrtaja motora. Potpuno zaustavljena turbina se teško pokreće iz stanja mirovanja zbog lošeg opstrujavanja lopatica u stajanju turbine. Turbokompresori i inaĉe imaju zaostajanje u odzivu pogonske turbine i time u stvaranju nadpritiska zbog inercije rotacije obrtnih delova turbinske i kompresorske grupe (turbolag). Ideja nadpunjenja je da se postignu veliki obrtni momenti već na malim brojevima obrtaja motora, ispod 2000 u minutu. Pogonska grupa turbokompresora, konstruiše se za efikasan rad već namalim protocima izduvnih gasova - male brzine motora. Kod velikih brzina motora protok raste i pritisak nadpunjenja postaje prevelik. Višak izduvnih gasova, nepotreban za stvaranje nadpritiska pušta se u paralelni vod (wastegate). U sluĉaju otkaza klapna se potpuno otvara. (bezbednost). Broj obrtaja trubine (i kompresora, jer je na zajedniĉkom vratilu) dostiţe 250.000 obrtaja.

Propusni – paralelni vod integrisan sa turbokompresorom

Turbokompresor sa barijerom u vodu za višak izduvnih gasova (wastegate) Naĉin rada i osobine Upravljanje servoventilom klapne izlaznog voda (barijera) Servoventil klapne menja poloţaj ventila – klapne za propuštanje izduvnih gasova u vod paralelan turbini kompresora (wastegate). Izveden je kao pneumatski ventil sa membranom (dijafragmom) koja mehaniĉki preko poluge pokreće ventil – klapnu paralelnog voda izduvnih gasova. Novija rešenja su na elektriĉnom principu, regulacija je brţa i preciznija. Upravljački ventil servoventila je povezan sa servoventilom pneumatskim vodom kroz koji servoventilu dovodi izvršni pritisak iznad membrane. Upravljaĉki ventil ima i po jedan pneumatski vod kojim je vezan na ulaz vazduha u kompresor (manji pritisak) i izlaz vazduha iz kompresora (veći pritisak). Ova dva voda daju pritisnu energiju upravljaĉkom ventilu za komandovanje servoventilom. ECU kontroliše upravljaĉki ventil koji šalje izvršni pritisak na servoventil klapne. ECU dobija informaciju o pritisku nadpunjenja preko senzora. Promene pritiska iznad membrane servoventila klapne pomeraju mebranu na jednu ili drugu stranu. Kretanje se sa membrane prenosi preko poluge na ventil - klapnu za propuštanje (wastegate), koji menja poloţaj. U zavisnosti od poloţaja ventila za propuštanje veća ili manja koliĉina izduvnih gasova zaobilazi pokretaĉku turbinu kompresora i odlazi u izduvni sistem. U zavisnosti od ostvarenog nadpritiska kompresora i potreba motora za pritiskom nadpunjenja, vazduh iz upravljačkog ventila se dovodi na servoventil u komoru iznad membrane uz veći ili manji izvršni pritisak.

Turbokompresor sa barijerom u vodu za višak izduvnih gasova (wastegate) Naĉin rada i osobine Upravljanje servoventilom usisnog voda za skretanje struje vazduha pod pritiskom u kružni vod kad je klapna motora zatvorena/otvorena Servoventil (divert air, dump valve – prepreĉni ventil) otvara i zatvara protok kroz kruţni vod za vazduh pod pritiskom. (Anti-Surge (bypass)/Dump/Blow Off (atmosfera) Valves). Paralelni tok je bolji od odbacivanja u atmosferu, jer štedi energiju. Upravljački ventil (solenoid) dovodi kroz pneumatski vod izvršni pritisak za otvaranje i zatvaranje servoventila. Upravljaĉki ventil kontroliše ECU. Nadpritisak i podpritisak, kao energija za pokretanje servoventila, dovode se u upravljaĉki ventil kroz zajedniĉki pneumatski vod prikljuĉen ispod leptira (izmeĊu leptira i cilindra motora). Vod se od leptira grana prema upravljaĉkom ventilu na dve grane. Zatvoren leptir, stvara podpritisak u usisnom vodu iza sebe. Podpritisak se odvodi kroz jednu granu u upravljaĉki ventil, a kroz drugu granu u kojoj je i nepovratni ventil, u vakuumski rezervoar. Od vakuumskog rezevoara se podpritisak prenosi pneumatskim vodom u upravljaĉki ventil. Skretni – pregradni ventil se otvara. Otvoren leptir, stvara nadpritisak, koji se kroz granu, u kojoj nije nepovratni ventil i vakuumski rezervoar, odvodi u upravljaĉki ventil. Skretni – pregradni ventil se zatvara. Jednosmerni ventil sluţi da spreĉi dovoĊenje nadpritiska u vakuumski rezervoar i poništavanje vakuuma u vreme kad je leptir otvoren. Iza leptira u usisnom vodu u zavisnosti od položaja leptira otvoren/zatvoren vlada odgovarajući nadpritisak/podpritisak vazduha koji se prenosi na upravljački ventil servoventila za skretanje vazduha pod pritiskom u kružni tok.

Ventil za ispuštanje vazduha iz usisnog voda u atmosferu

•

•

Leptir otvoren, ispusni ventil zatvoren Iznad ventila nalazi se nadpritisak, koji zajedno sa oprugom zatvara ispusni ventil. Nadpritisak se dovodi iz prostora sa leve strane leptira kroz tanak vod iznad ventila, u prostror gde je smeštena opruga. Leptir zatvoren, ispusni ventil otvoren Iznad ventila nalazi se podpritisak usisavanja motora pri zatvorenom leptiru. Podpritisak se dovodi iz prostora sa leve strane leptira kroz tanak vod iznad ventila, u prostror gde je smeštena opruga. Sa donje strane ventila vlada nadpritisak, koji savladava silu u opruzi, otvara ispusni ventil i propušta deo sabijenog vazduha iz voda kompresora u atmosferu. Time pritisak opada, a kompresor nastavlja da se okreće. Izbegava se usporenje kompresora i buka zbog oscilovanja talasa nadpritiska koja nastaje kad se leptir zatvori i komprimovani vazduh nema gde da ide.

Ventili za kontrolu pritiska turbokompresora kod zatvorenog leptira

Recirkulcioni tok vazduha za kompresor bez ventila za kontrolu pritiska

Sklop turbokompresora sa externim barijernim vodom

Turbokompresor sa garniturom za ugradnju

Turbokompresor sa promenljivom geometrijom turbine Naĉin rada i osobine Promenljiva geometrija turbine (Varible Turbine Geometry, VTG) Upravljanje pritiskom nadpunjenja kompresora je promenom veliĉine protoka, brzine i pravca struje izduvnih gasova kroz kolo turbine. Kružna žaluzina menja geometriju turbine, odnosno naĉin strujanja izduvnih gasova.

• •

Konstrukcija ţaluzine: Krilca - usmeravajuća krilca (deflektori) rasporeĊene oko rotora turbine. Popreĉni presek krilca je oblika aeroprofila. Prsten za podešavanje Zaokretanjem prstena preko mehanizma ţaluzine menja se ugao krilaca prema struji izduvnih gasova. Sva krilca imaju isti izabrani ugao usmeravanja struje.

Servo ureĎaj zaokreće prsten za podešavanje u ţeljeni poloţaj koji odreĊuje ECU. Izvodi se kao pneumatski ventil ili ga pokreće elektriĉni motor sa senzorom pozicije u povratnoj sprezi.

Turbokompresor sa promenljivom geometrijom turbine Naĉin rada i osobine

Upravljanje promenljivom geometrijom i nadpunjenjem* Položaj krilaca za veći izlazni nadpritisak kompresora Krilca se zaokreću se tako da se protoĉni presek izmeĊu njih smanji, a ugao prema lopaticama povećava. Smanjenje protočnog preseka kroz zasun povećava pritisak izduvnih gasova ispred zasuna i povećava brzinu struje kroz zasun u kolo turbine. Turbina se vrti brţe zbog upravnijeg ugla struje na lopatice i brţe struje, a kompresor stvara veći nadpritisak.

Položaj krilaca za manji izlazni nadpritisak kompresora Krilca se zakreću tako da se protoĉni presek povećava, a ugao prema lopaticama smanjuje. Povećanje protočnog preseka kroz zasun smanjuje pritisak izduvnih gasova ispred zasuna i smanjuje brzinu struje kroz zasun u kolo turbine. Turbina se vrti sporije zbog paralelnijeg ugla struje prema lopaticama i sporije struje, a kompresor stvara manji nadpritisak. Kontrola nadpritiska koji daje kompresor, princip: Ako se protočni presek kroz zasun povećava broj obrtaja turbine : • Pritisak opada za isti broj obrtaja motora • Pritisak ostaje isti za veći broj obrtaja motora

Turbokompresor sa promenljivom geometrijom turbine Naĉin rada i osobine Zaštita od preopterećenja U sluĉaju otkaza turbokompresora, podrazumevani poloţaj zasuna – ugao krilaca takav da je protoĉni presek kroz zasun najveći. Tada: • Pri malim brojevima obrtaja motora nadpunjenje će biti nedovoljno, pa se javlja gubitak snage. • Pri srednjim, a naroĉito većim brojevima obrtaja, nadpunjenje će biti efikasnije, a gubici snage manji. Primena Samo za dizel motore jer je promenljiva geometrija osetljiva na nešto više temperature izduvnih gasova oto motora u odnosu na dizel. (Oko 200°C) Promenljiva geometrija turbine efikasno otklanja zaostajanje u nadpunjenju (turbo lag). Zasun se brzo zatvara pri ubrzanju motora. Zatvaranjem zasuna protoĉni presek ţaluzine se naglo smanjuje. Već pri polaznom broju obrtaja (za isti broj obrtaja motora na poĉetku ubrzanja), brzina ustrujavanja izduvnih gasova kroz ţaluzinu ka lopaticama turbomotora se povećava, a struja zaokreće upravno na lopatice, ĉime je kinetiĉko dejstvo struje najveće. Istovremeno, pritisak ispred zasuna se povećava zbog smanjenja protoĉnog preseka kroz zasun, što dodatno ubrzava struju kroz lopatice usled povećane razlike pritisaka ispred ţaluzine i u ţaluzini, odnosno dalje u turbomotoru. Rezultat je brzo povećanje broja obrtaja turbokompresora i brzo stvaranje nadpritiska. Motor ubrzava, energija izduvnih gasova raste i ako postane prevelika ECU lagano menja ugao ţaluzine ka manjem punjenju, s obzirom na povećanu energiju izd.gasov.

Turbokompresor sa promenljivom geometrijom turbine

Turbokompresor sa promenljivom geometrijom turbine

•

Otklanjanje zaostajanja nadpunjenja (turbo lag)

Konstrukcijom

– Na niţim brojevima obrtaja motora kontrola brzine turbokompresora sa ventilom u potisnom vodu (divert, oto) – Na srednjim brojevima obrtaja motora odreĊivanjem punog protoka kroz turbinu. – na većim brojevima propuštanje viška protoka izduvnih gasova obrtaja motora (wastegate, oto) – Za sve brojeve obrtaja motora promenljivom geometrijom (WTG, dizel)

•

Udvajanjem turbokompresora – Paralelno (twin), sledni (sequential) dva manja kompresora (oto) – Dvostepeno (twostage), ukljuĉenje jednog ili oba stepena (dizel)

• •

Kombinacijom sa mehaničkim kompresorom pri manjim brzinama motora Primenom materijala male gustine (―laki‖ materijali) za smanjenje obrtnog momenta inercije rotora – Turbina, rotor: Keramika, titanijum (termiĉka naprezanja) – Kompresor, rotor: Magnezijum, plastiĉni materij. (manja termiĉka naprezanja)

•

Povećanjem entalpije izduvnih gasova (sport, vatra na izduvu pri promeni stepena prenosa) (I = U + pV). Najjednostavnije, ali i najgore. Dodavanjem više goriva i pomeranjem paljenja na kasnije, ĉime se povećava toplota (U) i pritisna energija (pV) izduvnih gasova (Ideja je ista kao i za grejanje katalitiĉkog konvertora). Nije za serijska vozila.

Nadpunjenje sa više (dva) kompresora Kompresori u šemi nadpunjenja: •

Paralelni (twin) Dva turbokompresora iste veliĉine i istog dejstva u zajedniĉkom radu. Zbog manjih dimenzija u odnosu na jedan veći kompresor pojedinaĉni kompresori imaju manje obrtne momente inercije pa je ―turbo rupa‖ manja. Pogodno za motore sa dva reda cilindara, po jedan kompresor za jedan red cilindara. Pojednostavljuju se i cevovodi. Udvojenih kompresora ima i na linijskim motorima.

•

Sledni (sequential) Jedan turbopunjaĉ za manje i srednje brzine (jedna grana), a oba turbopunjaĉa za veće brzine motora. Blizu granice nadpritiska prvog turbopunjaĉa (primarni) propušta se deo izduvnih gasova u drugi turbopunjaĉ (sekundarni). Oba turbopunjaĉa daju nadpritisak u zajedniĉki vod za punjenje prema cilindru. Ubrzanje turbine sekundarnog turbopunjaĉa izduvnim gasovima iz wastegate – a primarnog turbopunjaĉa umanjuje ―turbo rupu‖. Sloţena i stoga neekonomiĉna konstrukcija za oto motore, uglavnom prevaziĊena savremenim razvojem turbokompresora. Pogodna za dizel motore. (Videti šemu za dizel motore, dvostepeni kompresori.)

Nadpunjenje sa više (dva) kompresora Kompresori u šemi nadpunjenja: Dvostepeni Redno vezana dva kompresora razliĉitih dimenzija sa povećanjem nadpritiska u dva stepena (dizel). U prvom stepenu veći kompresor sa niţim stepenom sabijanja uzima vazduh na pritisku okoline, sabija ga i predaje manjem kompresoru. U drugom stepenu izlazni pritisak većeg kompresora je ulazni pritisak manjeg kompresora. Manje dimenzije kompresora drugog stepena su moguće zbog manjeg protoka vazduha kroz njega, jer je vazduh već sabijen u prvom stepenu. Manji kompresor (drugostepeni) je prvi u liniji izduvnih gasova i ima paralelni vod sa ventilom (bypass). Veći kompresor (prvostepeni) je drugi na liniji izduvnih gasova. Na niţim brojevima obrataja motora oba kompresora rade sa punim protokom, propusni ventil paralelnog toka drugostepenog kompresora je zatvoren. Sa porastom brzine motora propusni ventil paralelnog tokakompresora drugog stepena se sve više otvara. Drugostepeni kompresor je pravljen za manje protoke. Na velikom brzinama radi samo prvostepeni kompresor, koji daje dovoljan nadpritisak. Vrlo efikasan i dobro upravljiv sistem. (Šema).

Dvostepena kompresija*

Nadpunjenje sa više (dva) kompresora Kombinacija turbokompresora sa mehaničkim kompresorom Mehniĉki kompresor (Root) i turbokompresor u sprezi. Veza izmeĊu mehaniĉkog i turbokompresora je redna. Mehanički kompresor ima paralelni tok i ventil za kontrolu u paralelnom toku. Turbokompresor ima ventil za odrţavanje brzine kod zatvorenog leptira sa propuštanjem vazduha pod pritiskom u usisni vod (blow-off). Na manjim brzinama motora rade kao dvostepeni kompresor dajući zajedniĉki nadpritisak. Na srednjim brzinama otpori mehaniĉkog kompresora rastu, a raste i efikasnost turbokompresora. Ventil paralelnog toka mehaniĉkog kompresora se postepeno otvara, i vazduh prolazi pored mehaniĉkog kompresora ka turbokompresoru. Turbokompresor je podešen za rad sa većim brzinama/protocima izduvnih gasova, jer manje brzine pokriva mehanički kompresor. To omogućava bolju iskorišćenost energije izduvnih gasova. Ipak, za najveće brzine ugraĊen je propusni ventil (wastegate) za izduvne gasove. Na većim brzinama radi turbokompresor, a mehaniĉki kompresor se iskljuĉuje elektromehaniĉkom spojnicom jer je nepotreban, a troši energiju.

Root-ov kompresor VW TSI

Kombinovano mehaniĉko i turbo nadpunjenje

Twin-turbo dizel*

Twin-turbo dizel vozilo

Turbokompresorsko nadpunjenje Krive momenta, snage i potrošnje PoreĎenje sa motorima sa prirodnim usisavanjem po sa istom radnom zapreminom •

Veći momenti i snage pri istim brojevima obrtaja (oto i dizel) Turbopunjeni motori razvijaju veće momente i snage pri istim brojevima obrtaja jer omogućavaju veće punjenje. Premeštanje radnih tačaka motora u oblast manjih brzina • Unutrašnji otpori okretanju motora se smanjuju. • Pumpni rad se smanjuje Manji broj obrtaja za isti moment znaĉi manje ciklusa – broja pumpnih radova. Oto ima i šire otvoren leptir, jer se punjenje kontroliše i nadpritiskom, ne samo razredjivanjem vazduha. Smanjenje trenja i pumpanja smanjuje potrošnju goriva, iako su nadpunjeni motori termodinamički manje iskorišćeni, jer imaju niže stepene kompresije. • Radni vek motora se produžava kada radi sa manjim brojevima obrtaja: Broj hodova klipa je manji, kao i broj okretaja kolenastog vratila u leţištima. Smanjenje veličine motora (downsizing) za iste snage: Iz manje radne zapremine dobijaju se iste snage, pa se veliĉina i masa motora smanjuju. Turbopunjenje je u prednosti kod niţeg atmosferskog pritiska – praktiĉno nema gubitaka snage pri voţnji na većim nadmorskim visinama (planine). Nedostatak: Nedovoljan moment kod sasvim niskih brojeva obrtaja kada turbina nema dovoljno energije da ostvari potreban nadpritisak (više oto, dizel ima VTG).

Krive snage i momenta – oto Turbopunjen i atmosferski motor*

Krive snage i momenta – dizel Turbopunjen i atmosferski motor*

Turbokompresorsko nadpunjenje Krive momenta, snage i potrošnje PoreĎenje sa motorima sa prirodnim usisavanjem po broju obrtaja •

Najmanji brojevi obrtaja motora (< 1/4) Moment se malo razlikuje u odnosu na motore sa prirodnim usisavanajem. Moment moţe biti i manji, jer su stepeni kompresije nadpunjenih motora manji nego kod motora sa prirodnim usisavanjem. Pokretanje turbine kompresora je neefikasno zbog premalog protoka – brzine izduvnih gasova. Nadpritisak kompresora je mali i pritisak u cilindru sliĉan motorima sa prirodnim usisavanjem. • Manji i srednji brojevi obrtaja motora (1/4 – 3/4). Momenti su znatno veći u odnosu na motore sa prirodnim usisavanjem. Izduvni gasovi daju dovoljno energije za efikasno nadpunjenje. Najveća razlika momenata u odnosu na prirodno usisavanje nastaje kada turbina počne da dobija dovoljno energije za pun učinak turbokompresora. Kriva momenta koja prethodno naglo raste, postaje skoro prava linija, M=const, paralelna sa brzinskom osom. Veći pritisak nadpunenja je potreban za veće brzine motora jer je manje vremena na raspolaganju da se ubaci sveţe punjenje u cilindar. • Veliki brojevi obrtaja (veći od 3/4) daju iste momente (oto) ili malo veće momente (dizel). Motori sa prirodnim usisavanjem koriste dinamiĉke efekte brzog strujanja kod usisavanja i imaju poboljšano ispiranje. To povećava zapreminsku efikasnost i povećava pritisak na kraju takta sabijanja, a punjenje je bolje – moţe se dodati više goriva u više vazduha. Nadpunjeni motori ne mogu dalje povećavati zapreminsku efikasnost zbog ograniĉenja stepena kompresije. Turbo-rive P,M se pribliţavaju atmo. “Glatku” krivu momenta pri M = const daje ECU (engine management). ECU kompenzuje efekte oscilovanja struje usisa u usisnom vodu usled neslaganja trenutka otvaranja usisnog ventila i prostiranja talasa poremećaja pritiska.

Turbo 2.0 prema N/A* 2.0 Bolje performanse iz iste zapremine

Turbo 1.8 prema N/A* 2.0 Sliĉne performanse iz manje zapremine

Turbokompresorsko nadpunjenje Krive momenta, snage i potrošnje PoreĎenje sa motorima sa prirodnim usisavanjem po načinu rada •

•

•

Prelazni period (tranzient) Nestacionarno stanje pri ubrzanju karakteriše inercija rotacije kompresorko turbinske grupe jer ne postoji kruta kinematska (mehaniĉka) veza izmeĊu kolenastog vratila i turbokompresora, kao kod mehaniĉkih kompresora. Nadpunjenje je manje u odnosu na stacionarno stanje. Zaostajanje nadpunjenja (turbo lag) nastaje kao posledica inercije turbokompresora i traje sve dok se broj obrtaja turbokompresora ne poveća tako da se usaglasi sa energijom struje izduvnih gasova (stacionarno stanje). Sa povećanjem brzine turbine raste i pritisak nadpunjenja, time i moment/snaga motora. ―Turbo – rupa‖ se oseća kao loša ―vozivost‖*. Skokovi momenta/snage kod podizanja broja obrtaja turbokompresora mogu biti znatni i iznenadni. (ECU – engine management treba da spreĉi iznenaĊenja usled naglog prirasta performansi). Na zaostajanje nadpunjenja su osetljiviji oto nego dizel motori. Oto motori imaju veći raspon brojeva obrtaja u kom rade i brţe dostiţu veće brojeve obrtaja zbog manjih inercija motornog mehanizma. Turbokompresor teţe prati veću razliku u broju obrtaja motora u kraćem vremenu. TakoĊe i konstrukcija TK utiĉe: oto/dizel=wastegate/VTG. Zaostajanje nadpunjenja (turbo lag) u prelaznom peiodu (transient) moţe se smanjiti kod oto motora primenom dinamiĉkog nadpunjenja. Stacionarno stanje daje veće momente u odnosu na motore sa prirodnim usisavanjem sve do viših brojeva obrtaja (oto, oko 3/4) odnosno do punog opsega broja obrtaja (dizel). Oto motor tada ima limit zbog detonativnog sagorevanja, a i oto i dizel imaju bolje ispiranje na visokim brojevima obrtaja.

Konstruktivni i radni zahtevi turbokompresora •

• •

•

•

•

Materijali otporni na visoku temperaturu i temperaturna naprezanja* (promene temperature, thermal stress) Termiĉko naprezanje zbog pogona na izduvne gasove koji imaju visoke temperature i toplotu neiskorišćenu za rad (dU). Ležaji za visoke brojeve obrtaja Kotrljajni leţajevi velike taĉnosti izrade. Dinamičko uravnotežavanje masa Precizno zbog velikih brzina okretanja turbokompresora Podmazivanje ležajeva uljem Kritiĉan trenutak je posle gašenja motora, kada prestaje cirkulacija ulja. Ulje zaostalo u leţajima turbokompresora se greje iznad temperature kljuĉanja. Potrebno je hlaĊenje turbokompresora teĉnošću za hlaĊenje. Složenija konstrukcija motora Ugradnja kompresora i meĊuhladnjaka, dodatnog ventila za kontrolu nadpritiska i temperature usisavanog vazduha, vodovi za linije pogona preko izduvnih gasova i vazduha za nadpunjenje pod pritiskom. Kod hlaĊenja teĉnošću i pumpa za pogon rashladne teĉnosti nezavisno od sistema za hlaĊenje motora. Komplikovanije upravljanje (management) Sloţeniji sistem upravljanja motorom, mehaniĉki, elektronski i programski

MeĊuhlaĊenje* Grejanje vazduha kod sabijanja

Više kod turbokompresora nego kod mehaniĉkih kompresora, jer turbokompresor dobija pogon od turbine koju pokreću izduvni gasovi ĉija je temperatura visoka. Toplota izduvnih gasova greje turbinsko kolo, (rotor i stator) sa kog se toplota provoĊenjem kroz metalne delove prenosi na kompresorsko kolo. Sa kompresorskog kola toplota se prenosi na vazduh za usisavanje koji se sabija. Vazduh se dodatno greje od dovedene topote, uz grejanje od sabijanja. Manja gustina toplog vazduha Ugrejan vazduh je reĊi od hladnog, odnosno manje je gustine. Sadrţi manje kiseonika. Koliĉina goriva koje se moţe ubrizgati je manja, a time i dobijeni moment. Efekti turbopunjenja se smanjuju. Hladnjak (intercooler) uvodi se po izlasku vazduha iz kompresora, a pre uvoĎenja u cilindar (meĎuhladnjak). HlaĊenje sabijenog vazduha nije obavezno, ali je efekat turbopunjenja manji bez hlaĊenja.

Prednosti hladjenja sabijenog vazduha: • • •

Bolja zapreminska efikasnost ciklusa Više hladnog vazduha staje u cilindar nego vrućeg. Veća dobijena snaga iz iste zapremine Moţe se dodati više goriva u hlaĊen vazduh jer ima veću gustinu (ili ista snaga iz manje zapremine) Niža temperatura na kraju takta sabijanja (niža početna) – Smanjena mogućnost detonativnog sagorevanja – Smanjena emisija azotnih oksida – Manje termiĉko naprezanje klipova

1.4l 90 KW TSI VW motor sa turbopunjenjem

1.4l 90 KW TSI VW motor sa turbopunjenjem

Dijagram snage i momenta

Usisni sistem

Usisni vod sa meĊuhldnjakom

MeĊuhladnjak

Glava cilindara i klip Ivica* za prevrtanje vazduha na sedištu usisnog ventila

Turbopunjaĉ sa elementima

Otvoreni presek sistema turbopunjenja*

Šema turbopunjenja

Davaĉi pritiska nadpunjenja i u usisnom vodu*

Sistem za hlaĊenje*

Sistem za hlaĊenje vazduha za nadpunjenje

Pumpa u kolu za hlaĊenje vazduha nadpunjenja

MeĊuhladnjak

Turbopunjaĉ - hlaĊenje

Pumpa za hlaĊenje nadpunjenog vazduha*

Uslovi pod kojima se pumpa uključuje u rad* Kolo hlaĎenja vazduha za nadpunjenje tečnošću je nezavisno od sistema za hlaĎenje motora i pumpa stupa u rad u sledećim okolnostima: • Svaki put kad se uključi motor, kratko – stvaranje poĉetnog nadpritiska u rashladnoj teĉnosti za hlaĊenje vazduha • Stalno na opterećenju > 50% po momentu (v.dij. Slide 311), iznad 100 Nm – kada je temperatura izduvnih gasova i koliĉina predate toplote pogonskom kolu turbokompresora tolika da toplota koja prolazi kroz zajedniĉko vratilo i kućište t.k. intenzivnije greje vazduh u kolu centrifugalnog kompresora, usled ĉega raste temperatura nadpunjenog vazduha • Stalno ako je temperatura vazduha u usisnom vodu 50° C ili iznad – zavisnost od spoljne temperature vazduha na kojoj poĉinje kompresija, veća krajnja temperatura. • Ako je razlika u temperaturi vazduha pre i posle meĎuhlaĎenja manja od 8° C – nedovoljno hlaĊenje vazduha pri povećanom broju obrtaja, tj. povećanom protoku vazduha • Svaka 2 minuta na 10 sekundi za prohlaĎivanje turbokompresora – temperatura u turbokompresoru polako raste. Periodiĉno sniţavanje temperature vazduha i ulja za podmazivanje kroz t.k.u toku rada motora • Po gašenju motora, 0–6 minuta, u zavisnosti od prethodnog naprezanja motora – zaštita isparavanja teĉnosti za hlaĊenje i kljuĉanja ulja u turbokompresoru Kada motor stane u turbokompresoru prestaje protok ulja. Posebno je osetljivo ulje (v.dijagram, slide 275) koje se zadrţalo u turbokompresoru. Temperatura ulja raste i dostiţe najvišu vrednost posle oko 4 minuta stajanja motora. Dostignuta temperatura je preko dva puta veća od temperture kluĉanja mineralnog ulja dobrog kvaliteta. Ulje doţivljava destrukciju (isparava i zgušnjava se).

Davaĉ nadpritiska punjenja i temperature vazduha*

Davaĉ nadpritiska i temperature vazduha na usisu*

Postavljanje meĊuhladnjaka Tehniĉki uslovi • • • •

Direktna izloţenost struji vazduha (napred) Ispred drugih izvora toplote (napred) Ne treba da zaklanja hladnjak motora (pored) Van dohvata oštećenja (gore)

Praktiĉne pozicije: • Napred • Napred sa strane (iskošeno) • Na motoru (gore, sredina)

Postavljanje meĊuhladnjaka* Intercoolers that exchange their heat directly with the atmosphere are designed to be mounted in areas of an automobile with maximum air flow. These types are mainly mounted in front mounted systems (FMIC). Cars such as the Nissan Skyline, Saab, Dodge SRT-4, 1st gen Mazda MX-6 and Mitsubishi Lancer Evolution all use front mounted intercooler(s) mounted near the front bumper, in line with the car's radiator. Many older turbo-charged cars, such as the Toyota Supra (JZA80 only), Nissan 300ZX Twin Turbo, Nissan 200SX (S13/14/14a/15), Mitsubishi 3000gt, Saab 900, Volkswagen, Audi TT, and Turbo Mitsubishi Eclipse use side-mounted air-to-air intercoolers (SMIC), which are mounted in the front corner of the bumper or in front of one of the wheels. Side-mounted intercoolers are generally smaller, mainly due to space constraints, and sometimes two are used to gain the performance of a larger, single intercooler. Cars such as the Subaru Impreza WRX, MINI Cooper S, Toyota Celica GT-Four, Nissan Pulsar GTI-R, MAZDASPEED3, MAZDASPEED6 and the PSA Peugeot Citroën turbo diesels, use air-to-air top mounted intercoolers (TMIC) located on top of the engine. Air is directed through the intercooler through the use of a hood scoop. In the case of the PSA cars the air intake is the grille above the front bumper, then flows through under-hood ducting. Top mounted intercoolers sometimes suffer from heat diffusion due to proximity with the engine, warming them and reducing their overall efficiency. Some World Rally Championship cars use a reverse-induction system design whereby air is forced through ducts in the front bumper to a horizontally-mounted intercooler.

Air-to-liquid intercoolers* • Air-to-liquid intercoolers (aka Charge-Air-Coolers) are heat exchangers that transfer intake charge heat to an intermediate fluid, usually water, which finally rejects heat to the air. These systems use radiators in other locations, usually due to space constraints, to reject unwanted heat, similar to an automotive radiator cooling system. Air-to-liquid intercoolers are usually heavier than their air-toair counterparts due to additional components making up the system (water circulation pump, radiator, fluid, and plumbing). The Toyota Celica GT-Four had this system in the 1988-89 version and also in the Carlos Sainz RC Version. • A big advantage of the air-to-liquid setup is the lower overall pipe and intercooler length, which offers faster response (lowers turbo lag), giving peak boost faster than most front-mount intercooler setups.

Komplet za hlaĊenje vazduhom*

Naknadno ugraĊen izmenjivaĉ* toplote vazduh - vazduh

The engine bay of a 2003 MINI Cooper S— the top mounted intercooler is circled in red.

Goriva

Goriva Ugljovodonična goriva • Gasna – Prirodan gas, metan – Teĉni naftin gas, butan-propan

• Tečna – Benzini – Dizel D1, D2 Prednosti gasnih goriva: • Lako stvaranje smeše • Otpornost na detonativno sagorevanje • Nema taloga pri sagorevanju • Sniţena toksiĉnost izduvnih gasova • Ne razreĊuju ulje za podmazivanje motora Nedostataci gasnih goriva: • Oteţan transport i manipulacija Od sastava goriva zavisi ispravnost rada motora i emisija ugljen dioksida i otrovnih sastojaka u izduvnim gasovima.

Gasna goriva i radni pV dijagaram •

Otpornost gasa na detonativno sagorevanje Po prirodi veća nego kod benzina pa omogućava veće stepene sabijanja. Zahvata se veća površina u pV dijagramu “sa gornje strane” dijagrama.

•

Homogenizacija smeše sa gasnim gorivom Znaĉajno bolja nego kod benzina jer je gorivo već u gasnoj fazi. (Posle ubrizgavanja benzin treba da ispari i da se pare benzina homogenizuju sa vazduhom). Upaljenje smeše je lakše, plamen se prostire brţe, a sagorevanje je stabilnije. Rezultat: Skraćuje se period pritajenog sagorevanja, što omogućuje smanjenje ugla predpaljenja (za oko 5 stepeni). Manje bezbednosne margine protiv detonativnog sagorevanja daju povoljniji poloţaj ciklusa u pV dijagramu – dobijanje više rada: Krive ciklusa se pomeraju u desno, sa strane kompresije na stranu ekspanzije.

Goriva za benzinske motore Benzini se dobijaju frakcionom destilacijom nafte. Za benzinske motore koriste se parafini i aromati koji su sastavne komponente nafte.

Parafini imaju otvorene lance molekuske strukture, lako se pale, ali imaju malu opornost na detonaciju (pentan). Aromati imaju prstenastu lanĉanu strukturu i visoku otpornost na detonaciju (benzen). Duţi lanci molekula se mogu razbijati na manje (cracking) i moţe im se menjati struktura tako da od otvorenih lanaca postaju prstenasti i otporni na detonaciju. Za povećanje otpornosti na detonaciju gorivu se dodaju i organski elementi koji sadrţe kiseonik, etre i alkohole*. Alkoholi mogu izazvati koroziju i uvećavanje elastiĉnih elemenata od gume i plastike. Dodaci benzinu na bazi olova (olovo tetra – etil, olovo tetra – metil) su zabranjeni u Evropi. Kod nas su do skora bili u upotrebi – olovni benzin. Za očuvanje kvaliteta goriva u odnosu na performanse motora i sastav izduvnih gasova gorivu se dodaju detergenti**, inhibitori korozije od vode i vlage i antioksidanti. U procesu prečišćavanja odstranjuju se iz goriva neželjeni elementi, kao što je to sumpor. Sumpor u gorivu ometa rad katalitiĉkih konvertora (pepeo) i daje sumpor dioksid SO2*** u izduvnim gasovima. Goriva su standardizovana. Evropski standard za gorivo za benzin je EN 228.

Otpornost goriva na detonaciju (oto motor) Oktanski Broj (OB) benzina je mera otpornosti goriva na samozapaljenje IOB, OB – istraživački oktanski broj, oktanski broj (RON – Research Octane Number) Otpornost benzina na detonaciju pri naglom povećanju opterećenja, odnosno ubrzanju motora. MOB – motorski oktanski broj (MON – Motor Octane Number) Otpornost benzina na detonaciju pri visokim brojevima obrtaja. Razlika MOB u odnosu na IOB je u tome što se kod MOB motor termiĉki napreţe više nego kod postupka za utvrĊivanje IOB: Smeša se predgreva i varira ugao (pred)paljenja tako da se pronaĊe prvi najmanji ugao sa detonacijom. Vrednosti motorskog oktanskog broja uvek su (malo) manje od vrednosti istraţivaĉkog oktanskog broja, MOB < IOB za isto gorivo. OdreĎivanje Oktanskog Broja benzina • Na CFR motoru, koji ima promenljiv stepen kompresije Traţi se mešavina dva goriva koja detonira pri istim uslovima kao i ispitivano gorivo • Izooktan, C8 H18 , OB = 100; (otporan) • n – heptan, C7 H16 , OB = 0 (neotporan) Oktanski broj jednak je procentualnom uĉešću izooktana u smeši sa n-heptanom. Gasna goriva • Metan • Propan – butan (TNG),

IOB (RON) = 120 ... 130 (!) IOB = 110 (!), MOB > 89

Goriva za dizel motore osobine Dizel goriva se dobijaju frakcionom destilacijom nafte. Sve više se dobijaju krekovanjem – razbijanjem lanaca teţih sastojaka nafte. Ĉini ih mešavina hidrokarbonata koji se pale na oko 350°C (min 220°C). Temperatura paljenja benzina je oko 500°C.

Osobine dizel goriva •

•

Viskoznost Viskoznost stvara unutrašnje trenje u gorivu* pri kretanju kroz sistem za napajanje gorivom i ubrizgavanje. Mala viskoznost umanjuje efikasnost pumpe visokog pritiska povećavajući propuštanja pored elemenata za stvaranje pritiska (klip). Gubici na propuštanje umanuju performanse motora, jer se smanjuje koliĉina ubrizganog goriva. Velika viskoznost povećava vršni pritisak, što napreţe instalaciju visokog pritiska. Osim toga, raspršivanje goriva kod ubrizgavanja je lošije, jer unutrašnji otpori trenja u gorivu ometaju razbijanje goriva na manje kapljice kod ubrizgavanja. Gustina Kod dizel motora punjenje se reguliše kvantitativno, koliĉinom ubrizganog goriva. Goriva veće gustine imaju veću toplotnu moć i obrnuto. Za istu koliĉinu ubrizganog goriva veća gustina poboljšava performanse, ali i izaziva porast ĉestica u izduvu i obrnuto. Kada sistem za ubrizgavanje nema mogućnost odeĊivanja ubrizgane koliĉine goriva u zavisnosti i od gustine goriva kojoj pripada odgovarajuća toplotna moć, promena gustine goriva i sa njom toplotne moći goriva je nepoţeljna.

Goriva za dizel motore osobine •

•

Mazivost i sadržaj sumpora Za eliminaciju sumpora iz goriva primenjuje se postupak hidrogenizacije: Tokom destilacije nafte ubacuje se u gorivo vodonik pod visokim pritiskom, koji se uz prisustvo katalizatora i pod uticajem tempereture jedini sa sumporom i daje sumpor-vodonik H2S. Iz sumpor-vodonika se u kasnijem postupku izdvaja sumpor. Negativan efekat: U postupku desulfurizacije hidrogenizacijom se uklanjaju jonske komponente goriva koje daju podmazujuća svojstva dizel gorivu. Smanjena maziva svojstva povećavaju istrošenja distributor pumpi pa se gorivima dodaju komponente* kojima se vraćaju podmazujuća svojstva dizel gorivu izgubljena u postupku desulfurizacije. Stinjavanje Na niţim temperaturama (već blizu nule) izdvajaju se i oĉvršćavaju parafini iz goriva (kristalizacija parafina) i spreĉavaju protok goriva kroz sistem za napajanje zatavarajući prolaz kroz preĉistaĉ goriva**. Gorivu se zimi dodaju supstance na bazi polimera koje ne spreĉavaju separaciju parfina iz goriva ali zaustavljaju rast njihovih kristala na veliĉini koja moţe proći kroz preĉistaĉ.***

Goriva su standardizovana. Evropski standard za dizel gorivo je EN 590.

Sklonost goriva ka upaljenju (dizel) Cetanski broj (CB) je mera goriva prema upaljenju* (Cetane Number, CN) kao vreme proteklo od trenutka ubrizgavanja do trenutka paljenja. Veći cetanski brojevi upućuju na veću sposobnost goriva ka samopaljenju. Gorivo mora da se upali toplotom iz vazduha u predviĊeno kratkom vremenu posle ubrizgavanja u cilindar. Duţe veme samopaljenja oteţava voĊenje procesa sagorevanja i u ekstremnom sluĉaju moţe da formira smešu koja sagoreva udarno. UtvrĎivanje CB • Cetan**, C8 H18 , CB = 100 • Metil - naftalen***, C7 H16 , CB = 0 Za odreĊivanje cetanskog broja sluţi CFR (Cooperative Fuel Research) standardizovan jednocilindriĉni dizel motor sa mogućnošću promene stepena kompresije. Kompresija se menja dok se za ispitivano gorivo ne postigne vrednost od 2.4ms od trenutka ubrizgavanja do trenutka upaljenja – vreme upaljenja. Posle toga se traţi sastav cetana i n-heptana koji korespondira sa ovim vremenom. Procenat cetana u gorivu je cetanski broj. Pored cetanskog broja postoji i cetanski indeks, koji se dobija izraĉunavanjem na osnovu gustine goriva i krive kljuĉanja goriva (neeksperimentalno). Nezavisno od sadrţaja goriva cetanski broj, odnosno sposobnost paljenja dizel goriva se moţe poboljšati raznim dodacima.

Alternativna goriva Benzinski motori • Prirodan gas metan, CH4 (zemni gas), moţe se dobiti i iz biomase.

Skladištenje: Komprimovan kao gas na 200 bar (CNG*) i temperaturi okoline. Nedostatak: Potrebna je ĉetiri puta veća zapremina rezervoara u odnosu na teĉna goriva. OhlaĎen na -162°C i odrţavan u hladnom stanju (LNG). Nedostatak: Neekonomiĉno, stalno hlaĊenje da bi se gas odrţao na niskoj temperaturi zahteva energiju. Prednost kao goriva: Niska emisija ugljen dioksida. Smanjenje za 25% bez ikakvih intervencija na motoru uz jednaku osloboĊenu koliĉinu toplote. Umesto CO2 ima više vodene pare u produktima sagorevanja. Visoka otpornost na detonaciju RON 130. Omogućava veće stepene kompresije do 20% i time bolju termodinamiĉku efikasnost uz smanjenje dimenzija motora. Potrošnja goriva je manja, što povlaĉi još manju emisiju CO2. Pogodan za turbopunjenje. Tečni naftin gas (TNG) Butan – propan, dobijen iz nafte (LPG**), prateći je produkt frakcione destilacije nafte. Oktanski broj 110*** motorski 89, 10% manja emisija CO2 u odnosu na benzin. Nedostatak: Teţi od vazduha, taloţi se pri zemlji. U nekim zemljama parkiranje vozilima na butan-propan je zabranjeno u zatvorenim garaţama.

Alternativna goriva Benzinski motori •

Alkoholi Biološkog porekla pa je regenerativan. Samo u Brazilu se koristi kao ĉisto gorivo. U Evropi i Americi kao dodatak gorivu za povećanje oktanskog broja.

•

Vodonik Skladištenje na pritisku 350 – 700 bar ili u teĉnom stanju na -253 °C. Velika upaljivost omogućava rad sa vrlo siromašnim smešama, do  = 5. Siromašna smeša omogućava veće otvaranje leptira (WOT), ĉime se smanjuje prigušenje i tako smanjuje pumpni rad. Zbog zapaljivosti, usisni sistem mora da bude prilagoĊen da spreĉi povratak plamena u usisni vod (backfire). Jedino gorivo koje u procesu sagorevanja ne daje ugljen dioksid*. Nedostatak: Opasnost od zapaljivosti i stoga oteţana manipulacija i skladištenje. Veća zapremina 10 puta u gasnom stanju na pritisku od 350 bar od one koju zauzima benzin, a u teĉnom stanju ĉetiri puta. Odrţavane u teĉnom stanju je nekonomiĉno, jer zahteva energiju za hlaĊenje.

Upravljanje vozilom

Kinematika upravljaĉkih toĉkova Stabilizacija upravljačkih točkova: • Održavanje u neutralnom položaju Drţanje pravca kretanja vozila • Vraćanje u neutralan položaj Posle skretanja vozila vraćanje upravljaĉkih toĉkova u neutralan poloţaj Uglovi upravljačkih točkova OdreĊuju stabilizaciju upravljaĉkih toĉkova • Ulazna vrednost je ugao upravljanja Zadaje se zaokretanjem upravljaĉkog mehanizma • Izlazna vrednost je skretanje vozila Odziv vozila na zaokretanje upravljaĉkog mehanizma (otvoreno kolo) Upravljanje vozilom treba da bude takvo da vozač prima informacije o kontaktu upravljačkih točkova sa podlogom, a da skokovita kretanja točkova u elementima oslanjanja i sila vuče točka ne utiču na sile na upravljaču.

Kinematika upravljaĉkih toĉkova Upravljački točkovi zaokreću se oko osovinice (kingpin) rukavca koja leži na osi zaokretanja točka.

Osovinica zaokretanja točka Osa zaokretanja upravljaĉkog toĉka gradi ugao sa vertikalom (inclination), koji se projektuje na dve vertikalne ravni: Ravan uzduţnog preseka vozila i ravan popreĉnog preseka vozila. Osa osovinice se odreĊuje rukavcem kroz koji osovinica prolazi.

•

Ugao Zatura i Zatur (Caster angle and Caster) Ugao zatura je ugao ose osovinice rukavca i vertikale u uzdužnoj ravni preseka vozila. Zatur je rastojanje od prodora ose osovinice kroz tlo do sredine dodirne površine pneumatika sa tlom u uzduţnoj ravni preseka vozila.

Zatur vraća upravljaĉke toĉkove posle skretanja pod dejstvom momenta na pravac koji stvaraju vuĉna sila toĉka i sila otpora kretanju toĉka. Sliĉno ―klavirskom‖ toĉku (napr. kolica za alat) postiţe se efekat vučenja točka tako da toĉak uvek pod dejstvom momenta zauzima poloţaj koji dovodi vuĉnu silu i silu otpora na zajedniĉki pravac kretanja. Veće zaokretanje daje i veće momente, pa je vraćanje upravljaĉa brţe. Ako zatur na obe osovinice nije isti, a usmerenost toĉkova takva da su prednji krajevi toĉkova prema smeru i pravcu kretanja vozila bliţi nego zadnji, vozilo će da skreće na stranu na kojoj je zatur veći. (Vuĉe u stranu na upravljaĉu zbog većeg kraka momenta zaokretanja upravljaĉkog toĉka na strani većeg zatura.Obrnuto za otv.toĉk).

Kinematika upravljaĉkih toĉkova Osovinica zaokretanja točka •

Ugao Nagiba i krak zaokretanja (Kingpin angle and Kingpin offset) Ugao nagiba je ugao ose osovinice rukavca u poprečnoj ravni preseka vozila. Krak zaokretanja je rastojanje od prodora ose osovinice rukavca kroz podlogu do sredine dodirne površine pneumatika sa tlom u popreĉnoj ravni vozila.

Krak zaokretanja izdiže vozilo* kod zaokretanja upravljačkih točkova. Izdignuto vozilo teţi da se vrati u najniţi poloţaj pod uticajem sopstvene teţine i time vraća upravljaĉke toĉkove na pravac. (Samocentriranje upravljaĉkog mehanizma). Nejednake sile prijanjanja na upravljaĉkim toĉkovima kod koĉenja i vuĉne (ako su pogonski) stvaraju nejednake momente na kracima zaokretanja toĉka. Stoga se osovinice naginju prema popreĉnoj ravni tako da je krak zaokretanja toĉka jednak nuli, ili da se nalazi sa spoljne strane toĉka u odnosu na vozilo (negativan) za malu vrednost. Sa malim negativnim krakom se pri koĉenju stvara moment koji deluje na upravljaĉke toĉkove u smeru pribliţavanja prednjih delova toĉkova, (poboljšava drţanje praca), a pri vuĉi u smeru udaljavanja prednjih delova toĉkova (smanjuje boĉne otpore toĉkova). Rekapitilacija: Zatur vraća upravljaĉke toĉkove na pravac dejstvom sile trenja podloge na toĉak, a Krak zaokretanja vraća upravljaĉke toĉkove na paravac silom teţe (teţinom) vozila.

Kinematika upravljaĉkih toĉkova Upravljački točkovi okreću se i kotrljaju po podlozi oko ose rukavca točka. Točkovi Nezavisno od ugla osovinice rukavca, ravni okretanja toĉkova grade još dva ugla: Prema pravcu kretanja i prema vertikali. • Ugao usmerenosti i usmerenost Ugao usmerenosti je ugao koji grade tragovi ravni okretanja toĉkova na podlozi prema pravcu kretanja. Toĉak se kotrlja u ravni koja gradi mali ugao sa pravcem kretanja. Usmerenost toĉkova na pravcu je simetriĉna – svaki toĉak ima polovinu ugla usmerenosti. Veliĉine ovih uglova su: 5-20 min za upravljĉke toĉkove koji nisu pogonski (konvergencija), a do -20 min za prednje pogonske toĉkove (divergencija). Pod dejstvom sile vuĉe toĉka na elastiĉne elemente voĊenja toĉka divergencija se gubi i/ili prelazi u konvergenciju. Male vrednosti uglova usmerenosti se teško mere praktiĉno, pa se koristi usmerenost, što je razlika rastojanja krajnjih taĉaka naplatka na prednjoj strani i na zadnjoj strani (toe-in, toe-out). Usmerenost točkova gradi na pravcu bočnu silu otpora kretanja točka. Za male uglove skretanja, do vrednosti kada je na jednom toĉku ravan okretanja (trag ravni na podlozi) paralelna sa pravcem kretanja na jednom toĉku, na drugom toĉku se usmerenost udvostruĉava. Boĉna sila otpora kretanju (trenje) na prvom toĉku se smanjuje i nestaje, a na drugom raste. Rezultat razlike boĉnih sila otpora je vraćanje upravljaĉkih toĉkova u simetriĉan poloţaj – odrţavanje pravca kretanja vozila na pravcu bez uĉešća (napora) vozaĉa. Deluje zajedno sa zaturom osovinice rukavca. Dejstvo boĉnih sila otpora stvara napone u elementima upravljanja ĉime spreĉava oscilacije upraljaĉkog mehanizma. Usmerenost brzo gradi boĉne sile koje stabilizuju kretanje vozila na pravcu.

Kinematika upravljaĉkih toĉkova •

Nagib Nagib je ugao koji gradi ravan okretanja toĉka prema vertikali. Ako su toĉkovi bliţi pri vrhu nego pri dnu – na podlozi, nagib je negativan. (Nagib stvara male boĉne sile, što nije ideja.)

Najbolji kontakt toĉka (pneumatika) sa podlogom ostvaruje se kad toĉak nema nagib, odnosno kad je u vertikalnoj ravni. Kada se vozilo kreće kroz krivinu, ono se naginje, okrećući oko poduţne ose usled inercijalnih sila i boĉnih reakcija tla na toĉkove. Strana bliţa krivini se odiţe od tla, a teţina prenosi na drugu stranu vozila. Naginjanje vozila menja nagib toĉkova. Da bi se u krivini usled naginjanja vozila dobio nulti nagib toĉkova na spoljnom toĉku prema krivini, opterećenijem teţinom, daju se toĉkovima negativni nagibi. Opterećeniji toĉak zbog veće vertikalne sile više pritiska podlogu i moţe da ostvari veće boĉne reakcije na tlu. Toĉak sa unutrašnje strane krivine, istina, dobija veći negativni ugao nego na pravcu i u nepovoljnijem je poloţaju za dobar kontakt sa podlogom, ali je na njemu usled odizanja vozila manja vertikalna sila koja deluje na podlogu. Iako se njegove boĉne reakcije smanjuju, u ukupnom iznosu oba toĉka imaju veću boĉnu reakciju sa negativnim uglom, nego bez nagiba prema vertikali.* Grade se sistemi oslanjanja toĉka sa više taĉaka (multilink) voĊenja toĉka koji praktiĉno odrţavaju u svim uslovima toĉak u vertikalnom poloţaju. Nedostatak, komplikovanija i skuplja konstrukcija.

Rukavci toĉka kućnog nameštaja i toĉka vozila – poreĊenje uglova i poloţaja osa

Zajedniĉko: Osa rukavca prodire kroz podlogu ispred kontakta toĉka sa podlogom u smeru kretanja. Toĉak je vuĉen. Razliĉito: Osa rukavca toĉka kućnog nameštaja je vertikalna i ne prolazi kroz osu toĉka. Osa upravljaĉkog toĉka vozila je nagnuta u uzduţnoj (i popreĉnoj) ravni vozila i prolazi kroz osu okretanja toĉka (ili blizu ose).

Ugao nagiba i zatura osovinice rukavca Projekcije na uzduţnu i popreĉnu ravan

Kingpin axis: Osa osovinice zaokretanja toĉka • •

Front view: Popreĉna ravan vozila Inclination angle: Ugao nagiba ose osovinice toĉka u popreĉnoj ravni vozila Side view: Uzduţna ravan vozila Castor angle: Ugao nagiba ose osovinice toĉka u poduţnoj ravni vozila

Front: smer kretanja toĉka (vozila)

Kinematika upravljaĉkih toĉkova (detalji)

• • • •

Spindle length: Najkraće rastojanje izmeĊu centra toĉka i ose okretanja rukavca (prikazana u obe projekcije, u poduţnoj ravni samo strelica kote) Tie rod: Spona, prednji i zadnji tapez upravljanja. Scrub radius: Polupreĉnik zaokretanja toĉka, negativan, sa spoljne strane u odnosu na vozilo Wheel offset: Rastojanje leţaja toĉka od srednje ravni toĉka

Ugao zatura i nagiba osovinice rukavca i Usmerenost i nagib toĉka

Ugao zatura osovinice rukavca*

Ugao nagiba osovinice rukavca

Nagib toĉka

Levo: Ugao toĉka sa negativnim nagibom Desno: Promena nagiba toĉka Toĉak bez nagiba dobija nagib kod naginjanja vozila. Nagib se neće menjati ako su gornje i donje rame iste duţine i paralelni,a vozio se ne naginje (oscilacije toĉka pri kretanju vozila po pravcu). Ako duţine i/ili meĊusobni uglovi gornjeg i donjeg ramena nisu isti, nagib se menja. Naĉin promene odreĊuje se duţinama i uglovima ramena. Promena se vodi tako da pri naginjanju vozila toĉak ostane vertikalan. (Vaţi za ―krut toĉak - pneumatik‖). Elastiĉan toĉak: Pneumatik se savija (povodi) pod dejstvom boĉnih sila.

Usmerenje toĉkova

Kinematika upravljaĉkih toĉkova • •

Zaokretanje upravljačkih točkova Trapez upravljanja – mehanizam

Kinematika kotrljanja toĉkova pri skretanju vozila

Trenutni pol okretanja toĉkova pri kotrljanju bez klizanja krutih toĉkova. Uglovi zaoketanja upravljaĉkih toĉkova nisu isti ( i ).

Akeramanov ugao

Najjednostavnija konstrukcija trapeza upravljanja preko Akermanovog ugla: Pravci boĉnih strana trapeza seku se na sredini zadnjeg mosta Steering arm: Rukavac Tie rod: Spona; Ball Joint: Sferni zglob, veza spone i rukavca.

Akermanovi uglovi

Trapez upravljanja: Na pravcu i pri skretanju u desno, uglovi unutrašnjeg i spoljnog toĉka

Elementi mehanizma za upravljanje

Zavojno vreteno i segment zupĉanika

Puţ, navrtka i segment zupĉanika upravljaĉkog mehanizma sa recirkulirajućim loptastim kotrljajnim telima

Mehanizam za upravljanje pokretan puţem sa recirkulirajućim lopticama

Zupĉanik i zupĉasta letva*

Mehanizma za upravljanje pokretan zupĉanikom sa zupĉastom letvom

Zupĉanik sa zupĉastom letvom*

Elementi oslanjanja

Stabilizaciona poluga

Podizanje jednog kraka stabilzacione poluge podiţe drugi krak/toĉak. Poluga je uleţištena sa dva gumena oslonca na srednjem delu, u kojima moţe da rotira oko svoje ose.

Wishbone Y dvostruki i jednostruki

MacPherson (levo) i Multilink

Krut most – zavisno oslanjanje Opruge i lisnati gibanj*

Vuĉeni oslanjanje (trailing arm)

Koĉnice

Glavni koĉioni cilindar* •

Transformiše silu pedale kočnice u pritisak U zajedniĉko kućište smeštena su dva hidrauliĉno nezavisna cilindra. Nezavisna kola postoje iz bezbednosnih razloga, za sluĉaj otkaza u sistemu za koĉenje.

Glavni kočioni cilindar

Glavni koĉioni cilindar*

Glavni koĉioni cilindar*

Prazan hod pedale

Poĉetak kretanja pedale Podizanje pritiska u kolu na poluzi

Nastavak kretanja pedale Prenošenje pritiska razdelnikom

Kraj kretanja pedale IzgraĊen pritisak za koĉenje

Povratni hod pedale OslobaĊanje pritiska

Doboš koĉnice

Doboš koĉnice •

Pogodne za ugradnju pomoćne koĉnice Samo za zadnje toĉkove, praktiĉno ih nema više na prednjim toĉkovima. Broj cilindara i/ili klipova: Symplex, duplex, duo symplex. Obloge koĉnica nisu više od azbesta. Azbest dobro podnosi visoke temperature, ali je kancerogen. Osobine Otvrdnjavanje obloga (pri pregrevanju) zahteva veću silu pritiska na pedalu koĉnice za istu efektivnost koĉenja. Preciznost koĉenja opada. Pravac sile kočenja klipova leži u ravni okretanja doboša, u istoj ravni u kojoj je i sila trenja izmeĎu kočionih papuča i doboša. Posledice: Nailazeća i silazeća koćiona papuĉa (symplex). (Uvek jedna, bez obzira na smer okretanja toĉka, odnosno kretanja vozila.) Nailazeća papuĉa ima efekat samopojaĉanja koĉenja. Sila trenja nailazeće papuĉe pravi moment u istom smeru u kom moment pravi i sila aktiviranja papuĉe prema osi okretanja papuĉe. Momenti sile aktiviranja i sile trenja se sabiraju. Sila trenja silazeće papuĉe pravi moment u suprotnom smeru od momenta sile aktiviranja papuĉe prema osi okretanja papuĉe. Momenti sile aktiviranja i sile trenja se oduzimaju. Zato se obloga nailazeće papuĉe brţe haba nego obloga silazeće papuĉe. Konstrukcija Jedan koĉioni cilindar sa dva klipa koja pomeraju krajeve koĉionih papuĉa. Najĉešće jednocilindriĉna (symplex), na drugom kraju su oslonci/osovine oko kojih se okreću. Prednost Niska cena u odnosu na disk koĉnice. Nedostatak: Doboši od ĉeliĉnog liva zadrţavaju dosta toplote i pri duţim jakim koĉenjima mogu se deformisati. Deformisani doboši vibriraju pri koĉenju.

Doboš koĉnice Negativni efekti pri kočenju • Povećanje preĉnika doboša pri grejanju produţava hod pedale koĉnice • Smanjenje koeficijenta trenja obloga pri grejanju umanjuje efektivnost koĉenja. Kod hlaĊenja koĉnice efektivnost se vraća. • Stvaranje glatkog sloja na oblogama, pri visokim temperaturama (glazura). Koĉenje je smanjeno sve dok se ovaj sloj ne ishaba ili ukloni na servisu. • Koĉiona teĉnost se više greje i moţe isparavati u sistemu za koĉenje, posebno ako je upila više vlage. • Voda koja dospe u doboš na mokrom putu teţe izlazi iz doboša i deluje kao sredstvo za podmazivanje izmeĊu koĉionih papuĉa i doboša. Tek kad se voda iz doboša istisne i doboši ugreju tako da i vlaga ispari na kontaktnoj površini sa papuĉama, efekat koĉenja se vraća.

Doboš koĉnice Samopodešavanje Tokom rada obloge se troše, njihova debljina smanjuje, a hod pedale produţava. Doboš koĉnicama se dodaje mehanizam za samopodešavanje, koji će drţati obloge na jednakom rastojanju bez obzira na stepen istrošenosti. Mehanizam za samopodešavanje polagano razmiĉe koĉione papuĉe. Istovremeno i klipovi hidrauliĉkog cilindra se lagano razmiĉu meĊusobno, a prostor u sistemu za koĉenje popunjava teĉnost iz suda. Postoje razne konstrukcije mehanizma za samopodešavanje. Bez obzira na konstrukciju, postoji jedan opšti uslov, koji mehanizam za samopodešavanje treba da zadovolji: Za sluĉaj toplotnog povećanja (preĉnika) doboša pri intenzivnijim koĉenjima i hlaĊenja posle rasterećenja razmicanje i primicanje papuĉa mora da prati toplotne dilatacije doboša. Ako praćenje sistema za podešavanje i odrţavanje zazora izmeĊu papuĉa i doboša nije efikasno, pri grejanju doboša zazor se povećava, a hod pedale koĉnice produţava, a pri hlaĊenju doboša moţe doći do spontanog koĉenja, ili ĉak, potpune blokade koĉnice.

Disk koĉnice

Po dva klipa u svakoj strani klješta.

Disk koĉnice

―Plivajuća klješta‖ (slide pin), jedan klip sa jedne strane (levo)

Disk iz dva dela (―plivajući‖) i koĉiona papuĉa sa zvuĉnim indikatorom za istrošenje

Koĉione papuĉe disk koĉnice

Koĉione papuĉe i dugmad za granicu istrošenja obloga

Disk koĉnica, mehanizam pomoćne disk koĉnice, otvor za kontrolu istrošenja obloga

IzvoĊenja diskova

Sa leva na desno, disk: Gladak, sa zarezima, sa zarezima i otvorima, samoventilirajući sa zarezima i otvorima.

Plivajući disk

Disk koĉnice • Disk je od ĉeliĉnog liva (sivi liv) ili kompozita (keramika, kevlar). Disk koĉnice imaju otvorenu konstrukciju i za istu veliĉinu frikcione površine bolje koĉe od doboš koĉnica, bolje se hlade, lakše istiskuju vodu. Geometrija kočnice: Doboš: Cilindar na cilindar (teţe uparivanje frikcionih površina) Disk: Ravan na ravan (praktiĉno trenutno uparivanje frikcionih površina) Pravac sile kočenja klipa je upravan na ravan okretanja diska, time i na silu trenja izmeĎu kočionih papuča i diska. Zbog toga kod disk koĉnice nema samopojaĉavajućeg dejstva koĉenja kao kod doboš koĉnice niti sklonosti ka samokoĉenju. Moguće je konstrukcijom klješta u vidu strme ravni (uklinjenje) pojaĉati dejstvo koĉenja preko sile trenja izmeĊu diska i obloga koĉionih papuĉa. Ugradnja na prednje toĉkove, na koje otpada veći deo koĉenja vozila, ili i na prednje i na zadnje toĉkove. Disk Obiĉni ili sloţeni ―samoventilirajući‖ – sa udvostruĉenim srednjim delom i rebrima u sredini, koja deluju kao lopatice centrifugalnog ventilatora i poboljšavaju hlaĊenje kod više opterećenih koĉnica. Otvori i zarezi pomaţu ĉišćenje diska od prašine i vode. Zarezi pomaţu brţem skidanju sloja obloga, tako da je površina obloga uvek bez glazure. Koeficijent trenja je tada veći, ali se obloge brţe troše. Predstavljaju izvore geometrijske koncentracije napona (zarezi), i nejednakog termiĉkog naprezanja (otvori i zarezi) jer su im ivice na razliĉitim radijusima od ose okretanja diska. Zbog toga moţe doći do loma diska.

Disk koĉnice

Oštećenja diska Izobličavanja Toplota greje diskove na preĉniku gde je trenje izmeĊu diska i obloga koĉnica. Na preĉniku od frikcione površine do ose okretanja diska nema trenja, pa ni grejanja. Razlika u temperaturi nejednako toplotno napreţe disk što izobliĉava disk. Koĉiona površina izobliĉenog diska izlazi iz ravne površine: Disk poĉinje da ―baca‖. Disk kočnice su vrlo osetljive na izobličavanje diska. Usporenje vozila pri kočenju dobija oscilatoran karakter sa periodom od jednog obrta diska. Odstupanje diska meri se na rastojanju oko 12 mm radijalno (1/2‖) od spoljnog preĉnika diska. Za putniĉka vozila vrednost odstupanja, pri kom nema ―boĉnog bacanja‖ je samo 0.05 mm. (―Lateral runout‖). Bočno odstupanje nastaje i iz drugih razloga, osim toplotnog naprezanja: • Nejednako istrošenje diska po krugu usled prljavštine nanete u voţnji (poravnati koĉione površine na strugu). • Istrošenje širine diska ispod graniĉne mere (tanak disk je osetljiviji na toplotne deformacije, jer manja masa ima manju mogućnost akumuliranja toplote*). • Boĉno ostupanje glavĉine (na koju se montira) • Neĉistoće izmeĊu površina diska i glavĉine (pri montaţi) Boĉno odstupanje i/ili neĉistoće izmeĊu glavĉine i diska imaju jednu oscilaciju po jednom obrtu posle montaţe ispravnog diska. • Drţanje pritisnute pedale koĉnice na pregrejanom disku kad vozilo stoji.** Na mestu gde su koĉione obloge hlaĊenje je onemogućeno, dok se otvoreni deo diska hladi. Izobliĉavanje diska vodi u nejednako istrošenje diska po krugu. Na mestima gde je disk izobliĉen, naprimer u obliku ―~‖ dolazi do razmicanja koĉionih obloga, a na ravnom delu do primicanja. Na pedali koĉnice (i na koĉionoj sili) se javljaju pulsacije. Kod razmicanja intenzitet koĉenja se povećava, kod primicanja smanjuje. Pulsacije nastaju pri nejednakosti u debljini diska oko 0.17 mm.

Disk koĉnice Naslage na disku • Obloge kočnica Pregrejane obloge koĉnica mogu zalepiti na pojedinim mestima diska ostatke praha istrošenog pri koĉenju. Na takvim mestima disk će biti deblji i stvarati pulsacije pedale koĉnice. • Strani materijali Masnoće i prljavštine sa kolovoza mogu se zalepiti na nekim mestima za disk. Koeficijent trenja na takvim mestima biće smanjen. Ogrebotine Nastaju kod neblagovremene zamene istrošenih koĉionih obloga. Koĉione obloge mogu biti lepljene ili zakivane na metalnu osnovu. U obe varijante ogrebotine su kruţne oko ose okretanja diska i ako su manjeg obima ne zahtevaju intervenciju jer brzo dolazi do komplementranosti (uparivanja) površina novih obloga i diska. Za upozorenje vozaĉu na istrošenje koĉionih obloga koriste se: • Elektriĉni kontakti ugraĊeni u obloge, koji daju masu kad istrošenje postane toliko da kontakt doĊe u dodir sa diskom. (Drugi kraj ima prikljuĉak na ―plus‖). • Dodatni elementi u vidu savijene ĉeliĉne lisnate opruge, koji na granici istrošenja obloga poĉnu da dodiruju disk i u kretanju proizvode škripeći zvuk, dovoljno glasan da ga vozaĉ moţe ĉuti. • Zarezi na sredini obloga, koji dele obloge na dva jednaka dela. Dubina zareza odgovara granici istrošenja. (Vizuelan pregled). Pravilo, opšte: Kočione papuče treba zameniti kad preostala debljina obloga ne bude veća od debljine metalne osnove na koju su pričvršćeni.

Disk koĉnice Lomovi Najĉešće se javljaju na diskovima sa otvorima. Razlozi su: • Nejedanka termička napezanja Pri jakim grejanjima širenje iznad i ispod otvora radijalno je nejednako zbog razlike u preĉnicima. Stvaraju se pukotine oko ivica otvora koje se šire i vode u lom diska. • Smanjenje mase diska Diskovi sa puno otvora imaju manju masu nego diskovi bez otvora. Iako se otvorima povećava i površina hlaĊenja, gubitak mase na otvorima je uticajniji ĉinilac. (Površina raste sa drugim, a zapremina sa trećom stepenom). Razvijena toplota pri koĉenju na manju masu diska više podiţe temperaturu diska – izbušeni disk se više termiĉki napreţe. Izbušeni diskovi moraju biti većeg preĉnika srazmerno umanjenju mase na otvorima (i zarezima). Korozija Zahvata diskove vozila koje stoji. (Diskovi se ĉiste u radu od korozije). Korozija zahvata i samoventilirajuće diskove, jer na mestima gde su rebra nema kontakta sa koĉionim oblogama koje ĉiste disk. Plivajući diskovi Sastoje se od dva dela: Koĉione površine i ―srca‖ – dela koji se nalazi na preĉniku ispod koĉione površine. Dva dela su spojena meĊusobno osovinicama u vidu zakivka (―dugme‖). Plivajući diskovi imaju dve dobre osobine: • Razdvajaju frikcionu površinu, koja se greje od ostatka diska i time spreĉavaju termiĉko izobliĉavanje diskova. • Spreĉavaju ―boĉno bacanje‖ diskova jer omogućavaju kretanje koĉione površine diska po osivinicama kojima su spojeni, u pravcu ose diska. Nedostatak je, svakako, komplikovanija konstrukcija i time viša cena diska.

Disk koĉnice Klješta i klipovi Klješta su najĉešće ―plivajuća‖, sa samopodešavanjem u odnosu na disk pri istrošenju diska i naroĉito obloga. Prednost: Nema aksijalnog naprezanja diska. (ReĊe nepokretna). Dovoljan je samo jedan klip na jednoj strani klješta, koristi se princip akcije i reakcije sile koĉenja. Klipovi su od aluminijuma ili površinski hromiranog ĉelika. Cilindriĉna površina klipa je izuzetno glatka, jer sa prstenastom gumicom zaptiva hidrauliĉnu komoru klipa. Strana klipa koji izlazi iz cilindra mora biti zaštićena od prljavština gumenim prahobranima, kako bi ostala glatka i bez korozije. Usled neupotrebe klip moţe da zapekne. (Gumica klipa i klip). Kada vozilo ―vuĉe u stranu‖ pri koĉenju, onda je to vezano za disk koĉnice na prednjem mostu. Pri intenzivnom koĉenju vozilo skreće na stranu gde klešta funkcionišu ispravno. Zapekao klip daje otpore pri kretanju kod pritiska pedale koĉnice i sila pritiska na njegovoj strani je manja, time i sila koĉenja. Disk koĉnica nema nikakav povratni mehanizam za udaljenje klipa od diska kad koĉenje prestane. Gumica klipa je ĉetvrtastog popreĉnog preseka i sa gornje strane umetnuta u (takoĊe ĉetvrtast) kruţni kanal u klještima, a sa donje naleţe na glatku cilindriĉnu površinu klipa. Pri koĉenju, pod delovanjem pritiska, deo gumice u kanalu – ţljebu klješta se nasloni boĉno na zid kanala klješta, a deo oko klipa delovanjem pritiska i trenja o klip pomeri ka disku. Gumica se deformiše i od ĉetvrtastog oblika dobija romboidalni oblik. U gumicu se, kao u oprugu, smešta deformacioni rad. Po prestanku pritiska elastiĉne deformacije gumice vraćaju rad i povlaĉe klip od diska, jer su pod dejstvom pritiska ostvarile ĉvrst kontakt sa klipom. Ako gumica zapekne za klip, otpori klizanja gumice porastu, a sila koĉenja se smanjuje. U povrtnom hodu klip se ne vraća kroz gumicu, pa koĉnica stalno usporava vozilo. Klješta i disk se greju. (Ne postoje opruge na klještima za vraćanje klipa po prestanku koĉenja, kao kod doboš koĉnice).

Disk koĉnice Cijukanje – cviljenje kočnica Nastaje usled rezonantnih vibracija diska, koĉionih obloga i klješta kao sistema. Niska temperatura i vlaga mogu pojaĉati zvuk. Cviljenje je znak da je disk u blagom kontaktu sa oblogama. Ova pojava ne utiĉe na efektivnost koĉenja. (Kad je klip blokiran nema cviljenja). Prestaje u voţnji delom zbog upotrebe koĉnice i poboljšanja podmazivanja klipa hidrauliĉnom teĉnošću posle nekoliko pritisaka na pedalu koĉnice, a delom zbog postizanja radne temperature, usled ĉega se menja koeficijent trenja obloga papuĉa. Prašina na disku takoĊe moţe prouzrokovati cviljenje koĉnica. Savremene papuĉe imaju na strani u kontaktu sa klipom deformabilne materijale (tanak sloj) koji ne utiĉe na prenos sile koĉenja, ali amortizuje vibracije koje se sa diska preko papuĉa i klipa prenose na klješta. Iskljuĉuje se jedan uĉesnik u sistemu koji vibrira i cviljenje diska prestaje.

Disk koĉnice Oscilacije pri usporenju Posledica su talasno deformisanog diska u obliku sinusoida. Javljaju se u intervalu brzina 120-60 Km/h, obzirom na dimenzije toĉka, odnosno disk koĉnice. Oscilacije su nekontrolisane i dovoljno jake da mogu ugroziti upravljanje vozilom. Sinusoidalan oblik diska je fenomen jer se disk deformiše u obliku sinusoide. Uzroci su: • Topla mesta Naizmeniĉno pojavljuju sa jedne i druge strane diska na koĉionim površinama. • Hladna mesta Nastala posle duţe eksploatacie vozila usled talasaste površine glavĉine na koju je disk montiran i/ili nepoklapanja osa obrtanja glavĉine i diska. U prvom sluĉaju kod montaţe disk dobija deformacoine napone prema glavĉini, za koju se ĉvrsto pritisne. U poĉetku neistrošen disk je krut pa se oscilacije ne osećaju. Tokom vremena naponi izazivaju nejednako istrošenje i disk postaje sinusoidalno talasast. U drugom sluĉaju ekscentricitet diska deluje tako da se disk kreće kroz koĉione papuĉe menjajući polupreĉnik koĉenja. Na mestu većeg polupreĉnika moment koĉenja je veći nego na mestu manjeg polupreĉnika. Koĉione papuĉe idu ―gore-dole‖ rdijalno po disku i efekat je isti kao i onaj koji daju ovalni i/ili ekscentriĉni doboši kod doboš koĉnica . Dolazi do neravnomernog istrošenja diska.

Teĉnost za koĉenje Posrednik – medijum za prenošenje pritiska u sistemu za koĉenje

Teĉnost za koĉenje Zadatak: Prenošenje pritiska kroz hidrauliĉnu instalaciju sistema za koĉenje*.

Osobine i zahtevi •

•

Tačka ključanja – ―suv fluid‖ Pri koĉenju frikcionim parom se kinetiĉka energija ketanja vozila pretvara trenjem u toplotu. Na mestu trenja raste temperatura. Toplota se preko elemenata u frikcionim paru prenosi na fluid za koĉenje. Ako teĉnost za koĉenje poĉne da kljuĉa zbog grejanja, stvaraju se mehurići pare. Efektivnost koĉenja opada pri ponovljeim pritiscima na pedalu koĉnice jer je gasna faza stišljiva. Pedala postaje meka, a hod pedale se produţava. Previše isparenog fluida za koĉenje moţe odvesti u potpuni otkaz sistema za koĉenje. Tačka ključanja fluida za kočenje treba da je što viša. Vlažna tačka ključanja – ―vlaţan fluid‖ Fluid za koĉenje na bazi glikola je higroskopan. Vlaga iz vazduha ulazi u sistem za koĉenje kroz otvor za odvazdušnjavanje posude za teĉnost sa koĉenjem i difuzijom kroz savitljiva creva za koĉenje i gumene zaptivne elemente. Vlaga snižava temperaturu ključanja kočione tečnosti. Dopušteni sadrţaj vlage u fluidu za koĉenje je oko 3.5%. Fluid za koĉenje na bazi mineralnih ulja i na bazi silikona upija vodu u teĉnom stanju. Voda u sadržaju fluida za kočenje ključa na 100 °C i mrzne se na 0°C.

Teĉnost za koĉenje Osobine i zahtevi • Temperatura Za donju granicu radne temperature za motorna vozila uzima se -40°C (ne silazi ispod), a sa gornje strane je ograniĉena temperaturom kljuĉanja vode, 100°C, zbog prisustva vode u fluidu. (Suva taĉka kljuĉanja je viša). • Viskoznost Viskoznost* stvara nepoţeljne otpore u prenosu pritiska koĉenja. Raste sa sniţenjem temperature. Zahtev je: Najmanja viskoznost i što manja zavisnost viskoznosti od temperature. Mala viskoznost na niskim temperaturma je posebno vaţna za sisteme automatske kontrole ABS, TCS i ESP, s obzirom na brze reakcije koje ovi sistemi moraju imati. • Stišljivost Stišljivost produţava hod pedale za koĉnicu i umanjuje silu koĉenja. Zahtev je: Najmanja stišljivost i najveća nezavisnost stišljivosti od temperature (=const). • Korozija Fluid za koĉenje sam ne sme da izaziva koroziju metalnih elemenata sistema za koĉenje i treba da spreĉi koroziju koja nastaje od vlage u sistemu za koĉenje. Zaštita od korozije postiže se aditivima (inhibitori korozije) – dodacima tečnosti za kočenje. • Uticaj na elastične elemente Tečnost za kočenje ne sme izazivati uvećavanje (naduvavanje) gumenih elemenata niti umanjivati njihovu čvrstoću.**

Teĉnost za koĉenje Hemijski sastav •

•

•

Glikoli* DOT3, DOT4, DOT5**(DOT5.1) Prednost: Mala kompresibilnost - stišljivost Nedostatak: Higroskopnost – upija vlagu Naroĉito DOT3, sastavljen od glikol-etera je vrlo higroskopan i zato kratkog veka trajanja. Hemijskim tretmanom se popravljaju osobine (povišava suva i mokra taĉka kljuĉanja) i fluid osposobljava da reaguje sa vlagom i neutrališe njene neţeljene efekte. Osnovni razlog zašto fluid za kočenje treba menjati u periodu 1-2 godine je snižavanje tačke ključanja zbog apsorbovane vlage. Mineralna ulja DOT5 Prednost: Nisu higroskopna, pa treba više vremena da vlaga iz vazduha, dospela u sistem za koĉenje, postane smetnja. Zato je njihov vek trajanja duţi. Nedostatak: Zavisnost viskoziteta od temperature, što se popravlja aditivima. Silikonski fliudi DOT5 SB Prednost: TakoĊe nisu higroskopna. Nedostatak: Povećana stišljivost i smanjena sposobnost podmazivanja.

Tečnosti za kočenje su standardizovane: ISO 4925, SAE J1703, FMVSS 116

Teĉnost za koĉenje Rukovanje • • • •

•

Tečnosti su otrovne, zapaljive i agresivne prema obojenim površinama vozila. Kontrola sadržaja vlage u fluidu se vrši elektronskim test ureĊajima (komercijalni) i trakama za testiranje koje se umaĉu u koĉionu teĉnost. Dejstvo inhibitora korozije slabi sa vremenom. Tečnosti su providne, a sa vremenom dobijaju tamnu boju. Zatamnjenje potiĉe od ĉestica gumenih hidrauliĉnih elemenata izhabanih u radu sistema za koĉenje. Ĉestice gume prelaze u teĉnost. Habaju se prstenaste gumice hidro-pumpe (glavni koĉioni cilindar, ―master cylinder‖) i gumice klipova koĉionih cilindara. Boje Teĉnosti na bazi glikola su bezbojne do ţućkaste boje (amber) Teĉnosti na bazi mineralnih ulja su ljubiĉaste (purple) Teĉnosti na bazi silikona zelene (green)

Tečnosti na bazi glikola ne smeju se mešati sa tečnostima na bazi mineralnih ulja*. Čak i vrlo male količine mineralnih ulja dodate u glikolne tečnosti stvaraju mešavinu koja destruktivno deluje na gumene elemente i vodi u otkaz sistema za kočenje.

Zavisnost taĉke kljuĉanja od sadrţaja vlage u fluidu za koĉnice

Prema dijagramu DOT3 ima vek trajanja oko 1 godine, DOT4 oko 2 godine.

Merne trake za utvrĊivanje sadrţaja vlage u fluidu za koĉenje

UreĊaji za odreĊivanje taĉke kljuĉanja i sadrţaja vlage u fluidu za koĉenje

Refraktometri: OdreĊuju sadrţaj vlage na bazi prelamanja svetlosti kroz teĉnost i mokru taĉku kljuĉanja prema sadrţaju vlage. Dodatni pribor je za uzimanje uzorka koĉione teĉnosti za ispitivanje.

Refraktometar UreĊaji za odvazdušnjavanje i zamenu koĉione teĉnosti

Postupak zamene teĉnosti za koĉenje Zamena stare tečnosti novom 1. Isprazniti u potpunosti sistem za koĉenje od stare teĉnosti. 2. Odviti ventile za ispuštanje vazduha na svakom frikcionom paru. (Minimalan broj okretaja, dovoljan za neometano lagano isticanje vazduha). 3. Napuniti posudu za teĉnost za koĉenje propisanom teĉnošću. 4. Ĉekati dok teĉnost ne poĉne da izlazi na ventile frikcionih parova. (Nekoliko minuta). Dolivati teĉnost u posudu ako doĊe do minimalnog nivoa. 5. Zatvarati pojedine ventile kad teĉnost poĉne da izlazi kroz ventile i njihove vijĉane veze, redom pojavljivanja teĉnosti na ventilu. (Teĉnost poĉinje prvo da izlazi na frikcionom paru sa najkraćim vodom). Odvazdušnjavanje instalacije Dodatni pribor: • Providno crevo za odvazdušnjavanje • Posuda sa teĉnošću za koĉenje

Postupak zamene teĉnosti za koĉenje Odvazdušnjavanje instalacije

1. 2.

3.

Postaviti providno crevo na ventil za odvazdušnjavanje. Sastav ventila i creva ne sme da propušta vazduh. U suprotnom vazduh će ulaziti u sistem za koĉenje na spoju creva i ventila. Drugi kraj providnog creva zaroniti u posudu sa koĉionom teĉnošću. U toku odvazdušnjavanja posuda sa kočionom tečnošću mora se nalaziti na višem hidrauličkom položaju od ventila frikcionog para. Veća hidrauliĉka visina posude osigurava da vazduh ne ulazi pored navoja ventila u hidrauliĉki sistem. Teĉnost se iz creva vraća u ventil i izlazi kroz navoj. (Posuda i na manjoj visini od visine ventila obezbeĊuje da vazduh ne uĊe kroz ventil, jer je kraj creva zaronjen u koĉionu teĉnost, ali ne drţi navoj pod hidrauliĉkim pritiskom pa vazduh ulazi pored navoja.) Odviti ventil, pritisnuti pedalu koĉnice do kraja, zadrţati pedalu koĉnice u donjem poloţaju, zaviti ventil, otpustiti pedalu koĉnice. Postupak ponavljati dok na ventil izlazi vazduh (mehurići).

U toku odvazdušnjavanja ovim postupkom ni u jednom trenutku se ne ostvaruje pritisak u sistemu za kočenje. Umesto toga samo se ostvaruje protok tečnosti. U zavisnosti od konstrukcije – poloţaja ventila za odvazdušnjavanje, stvaranjem nadpritiska u sistemu za koĉenje ispustiti vazduh koji se zadrţao u zoni ventila.

Postupak zamene teĉnosti za koĉenje Odvazdušnjavanje •

• • •

Pritiskanje pedale koĉnice kod istiskivanja vazduha iz frikcionog para (otvoren ventil) treba da bude lagano, da bi se izbeglo vrtloţenje teĉnosti pri izlasku vazduha kroz ventil. U sluĉaju ostvarivanja nadpritiska iz istog razloga ne pritiskati pedalu snaţno. Puštanje pedale koĉnice u povratnom hodu (zatvoren ventil) treba da bude lagano, kako bi se izbegla kavitacija kod usisavanja teĉnosti iz suda u glavni koĉioni cilindar. Po završenom odvazdušnjavanju ponoviti postupak za sve ventile. (Kontrola). Ako se kod kontrole naĊe vazduh u bilo kom delu sistema kod odvazdušnjavanja, ponoviti kontrolu. U toku odvazdušnjavanja stalno dolivati teĉnost za koĉenje u posudu na vozilu. Ukoliko nivo teĉnosti padne ispod oznake za minimum, moguć je ulaz vazduha u hidropumpu – glavni koĉioni cilindar.

Odvazdušnjavanje je dobro ako postoji osetna razlika kod podizanja pritiska na pedali u trenutku kontakta kočionih papuča sa površinom za kočenje. Ako vazduh ne izlazi iz ventila, a hod pedale je dugačak, proveriti hidraulična creva na nedozvoljenu elastičnost.

Kod novih obloga koĉionih papuĉa nivo teĉnosti treba da bude na maksimumu. Kod istrošenih obloga koĉionih papuĉa spušta se nivo teĉnosti ka minimumu. Ne dolivati teĉnost za dopunu posude do maksimuma ako su obloge koĉnica istrošene. Posle zamene istrošenih obloga novim zbog povećane debljine obloga klipovi koĉionih klješta i/ili cilindara se utiskuju u unutrašnjost i potiskuju koĉionu teĉnost u instalaciju sistema za koĉenje. Usled toga nivo teĉnosti u posudi raste. Ako je posuda prepunjena, teĉnost za koĉenje će isticati iz posude kroz odušak za vazduh.

Teĉnost za hlaĊenje Posrednik – medijum za prenošenje neiskorišćene toplote motora

Teĉnost za hlaĊenje Zašto je potreban hladnjak i tečnost za hlaĎenje Prema II zakonu (principu) termodinamike toplota moţe da vrši rad samo ako sa tela više temperature prelazi na telo niţe temperature. Stoga toplotna energija dovedena motoru ne moţe u potpunosti biti iskorišćena za dobijanje mehaniĉkog rada kroz cikluse u SUS motoru. Telo više temperature – toplotni izvor, je sveţa smeša, odnosno gorivo koje u cilindru sagoreva sa kiseonikom iz vazduha. Telo niţe temperature – toplotni ponor, je okolina, odnosno okolni vazduh, kome se predaje toplota neiskorišćena za mehaniĉki rad. Entalpija se gubi kroz izduvne gasove. Tokom sagorevanja prelaz toplote na zidove prostora za sagorevanje je neizbeţan. To je takoĊe deo toplote neiskorišćen za mehaniĉki rad. Teĉnost za hlaĊenje je posrednik koji ovaj deo toplote neiskorišćene za rad prenosi sa motora na hladnjak motora. Prenos je molarnim putem – preko fluidnih delića teĉnosti. Fluidni delići preuzimaju toplotu sa glave i bloka cilindara, odlaze kroz sistem za hlaĊenje do hladnjaka i predaju toplotu hladnjaku motora. Sa hladnjaka motora toplota se (kao i entalpija izduvnih gasova) predaje hladnjaku – okolini. Hladnjak je izloţen struji vazduha pri kretanju vozila. Ipak, hladnjak ima i ventilator, koji se ukljuĉuje kad je kretanje vozila sporo, pa vazdušna struja nije dovoljno efikasna za odvoĊenje toplote. (Male brzine vozila, visoka spoljna temperatura, opterećeno vozilo). Kod nedovoljnog hlaĊenja motor se termiĉki napreţe i toplotna efikasnost motora opada. Zbog viših temperatura na poĉetku sabijanja kriva sabijanja se podiţe na radnom (pV) dijagramu, a površina ispod krive, koja predstavlja neiskorišćenu toplotu, time povećava. Vršne temperature sagorevanja rastu, sa njima i mogućnost detonativnog sagorevanja. Teĉnost za hlaĊenje moţe dostići temperaturu kljuĉanja. Potpuno odsustvo hlaĊenja motora vodi u preveliko termiĉko naprezanje i time u havariju motora.

Teĉnost za hlaĊenje Tečnost (fluid) za hlaĎenje treba da ima sledeće osobine: • Toplotni kapacitet – veliku specifiĉnu (jediniĉnu) toplotu Sposobnost primanja toplote po jedinici mase neposredno diktira koliĉinu teĉnosti sistema za hlaĊenje i njegove dimenzije • Tačka ključanja iznad radne temperature motora • Tačka smrzavanja ispod najniţih temperatura okoline • Viskozitet unutrašnje trenje u rashladnom fluidu je nepoţeljno (otpori) • Neagresivno dejstvo prema elementima kroz koje protiĉe Cilindarska glava i blok, zaptivka glave, hladnjak, lemljeni spojevi hladnjaka, termostat, pumpa za vodu, creva; Reduktor pogona na gas. Voda, ima veliku specifiĉnu toplotu. Nedostatak vode: • Deluje korozivno • Smrzava se na 0°C Zbog toga se voda meša sa aditivima. Iz vode moraju biti uklonjeni minerali i sve prateće supstance, destilacijom vode. Kreĉnjak (koji odreĊuje tvrdoću vode) taloţi se na cevima hladnjaka i stvara sloj koji deluje izolaciono za toplotu: Spreĉava prelaţenje toplote iz teĉnosti za hlaĊenje na cevi. (Loš koeficijent provoĊenja toplote). To ugroţava funkciju hladnjaka kao toplotnog ponora i povišava radnu temperaturu motora. Druge supstance ili deluju korozivno, ili uĉestvuju u stvaranju jedinjenja sa korozivnim dejstvom.

Teĉnost za hlaĊenje Aditivi sa sledećim delovanjima: • Snižavanje tačke smrzavanja (antifriz) Etilen-glikol sniţava taĉku smrzavanja vode spreĉavajući pojavu kristala leda. TakoĊe povišava i temperaturu kljuĉanja rashladne teĉnosti. Nedostatak: Oksidacija glikola. • Oksidacija glikola Glikol oksidacijom stvara vrlo agresivne korozivne supstance. • Zaštita od korozije Štite se metalni delovi i spojevi sistema za hlaĊenje. Dodaju se, Silikati, nitrati, metalne soli organskih kiselina-organski dodaci.* • Stabilizacija PH faktora Borati** iniciraju neutralizaciju baza i kiselina. Potrebna je neutralna sredina, PH8. • Sprečavanje stvaranja mehurića Mehurići sadrţe paru, ĉija je temperatura iznad temperature sredstva za hlaĊenje i imaju manji toplotni kapacitet od teĉnosti, ĉime umanjuju efekat hlaĊenja. Mehurići stvaraju diskontinuitet u teĉnosti, uzrokuju kavitaciju u pumpi za rashladnu teĉnost i umanjuju efekat pumpanja. Silikoni*** menjaju osobinu sredstva za hlaĊenje spreĉavajući pojavu mehurića. Sa vremnom aditivi se troše u hemijskim reakcijama štiteći sistem za hlaĎenje. Ĉak i ako je sadrţaj etilen-glikola u teĉnosti za hlaĊenje dovoljan za spreĉavanje smrzavanja teĉnosti za hlaĊenje, preostaje pitanje koliko je sistem za hlaĊenje zaštićen od korozije, s obzirom na koliĉinu preostalih aditiva za hemijsku reakciju. Vek trajanja aditiva u teĉnosti za hlaĊenje je 3-4 godine***, ili prema preporuci proizvoĊaĉa, posle ĉega teĉnost za hlaĊenje treba zameniti.

Sistem za hlaĊenje

Sistem za hlaĊenje Naĉini hlaĊenja •

HlaĎenje vazduhom – direktno hlaĎenje Prednost: Nema odrţavanja Nedostatak: Buka, nemogućnost odrţavanja optimalnog temperaturnog polja elemenata koji se hlade: Glava, blok cilindara Dodatni hladnjak za ulje, hlaĊenje takoĊe vazduhom Uglavnom napušteno. Danas i motocikli prelaze na hlaĊenje vodom.

•

HlaĎenje vodom – indirektno hlaĎenje Antifriz – etilen-glikol sa organskim inhibitorima korozije, meša se sa mekom vodom. Mešavina prema tabeli proizvoĊaĉa, 1/3-1/2 antifriza, ostatak voda. Sa etilen-glikolom Pritisak u sistemu za hlaĊenje najĉešće je do 1.4 bar, ali nominalne vrednosti mogu dostizati i 2.5 bar. Temperatura na radnom pritisku do 120°C Prednost: Efikasno hlaĊenje, dobro polje tempetura, nema buke Nedostatak: Komplikovanija konstrukcija, odrţavanje, zamena teĉnosti.

•

Sistem za hlaĊenje Elementi sistema Hladnjak motora

Zadatak: Prenos toplote dovedene sa motora na okolni vazduh. Ispred hladnjaka za motor moţe biti postavljen hladnjak za izmenjivanje toplote kod hlaĊenja vazduha za turbopunjenje (intercooler). Ovaj hladnjak ima bitno niţu temperaturu od temperature teĉnosti za hlaĊenje motora. Veliĉina hladnjaka se odreĊuje prema voţnji na otvorenom putu. Hladnjaku se dodaje ventilator koji se ukljuĉuje i radi elektriĉim putem, kad vazdušna struja nije dovoljna da odvede potrebnu koliĉinu toplote sa hladnjaka. Ventilator moţe imati i dve brzine okretanja, ili kontinualnu regulaciju u opsegu brzine okretanja.

Spajanje i gradanja • Lemljen Jednodelni ploĉastog oblika sa redovima cevastih elemenata koji ĉine mreţu za protok teĉnosti za hlaĊenje. Otpori opstrujavanju elemenata su mali, kao i dimenzije hladnjaka. • Mehanički sklapan Sa cevima za protok teĉnosti za hlaĊenje, na koje su dodata (mehaniĉki) tanka rebra koja povećavaju površinu za odavanje (disipaciju) toplote. Rezervoari sa strane (ili gore i dole) obezbeĊuju ravnomerno punjenje bloka za hlaĊenje (saće) i sabiranje ohlaĊene teĉnosti na povratku u kruţni tok i sitem za hlaĊenje. Prave se od stakloplastike, a novija rešenja su od aluminijuma, lemljena na blok za hlaĊenje. (Aluminijum je skuplji, ali obezbeĊuje dodatno hlaĊenje jer je metal pa bolje provodi toplotu od stakloplastike.)

Sistem za hlaĊenje Elementi sistema • Termostat Zadatak: Održavanje temperature rashladne tečnosti u zadatim granicama.

Sa ekspanzionim elementom Ekspanzioni element postavljen po osi simetrije termostata na gornjem i donjem kraju ima po jedan tanjirasti ventil. Radi u zajedniĉkom dejstvu sa povratnom oprugom. Na kućištu termostata sa gornje strane je izvod prema gornjem crevu hladnjaka, a sa donje izvod prema donjem crevu hladnjaka. Treći izvod ide sa kućišta termostata ka pumpi za vodu. Kada je gornji ventil otvoren, a donji zatvoren, voda kruţi kroz kućište termostata – gornji ventil termostata, crevo prema pumpi za vodu, pumpu za vodu, glavu i blok motora (motor) i vraća se u termostat. Ovo je kraći kruţni tok vode, nazvan ―sekundarno kolo‖. Drugo ime je ―bypass‖, jer voda ne odlazi u hladnjak, nego ga zaobilazi. U motor se vraća nerashlaĊena. Navedeni put vode je u vreme zagrevanja motora. Kada je gornji ventil zatvoren, a donji otvoren, voda kruţi kroz kućište termostata, gornje crevo prema hladnjaku, hladnjak, donje crevo hladnjaka i kroz njega u kućište termostata, zatim donji ventil termostata, crevo ka pumpi za vodu i pumpu za vodu, motor i kućište termostata. Ovo je duţi put vode, ―primarno kolo‖. U motor se vraća maksimalno rashlaĊena. Navedeni put vode je u vreme najvećeg opterećenja ugrejanog motora. Kada su delimično otvoreni gornji i donji ventil deo vode ide kroz kraći tok, a deo kroz duţi. Mešaju se nerashlaĊena i rashlaĊena voda. Termostat najĉešće radi u ovom reţimu, regulišući mešanjem rashlaĊene i nerashlaĊene vode radnu temperaturu motora u propisanim granicama.

Sistem za hlaĊenje Elementi sistema •

Termostat

Sa elektronskom kontrolom Ima sve elemente kao i termostat sa ekspanzionim elementom. Razlika je u tome što ima i toplotni otpornik koji dodatno greje ekspanzioni element. Prednost dodatnog grejanja ekspanzionog elementa termostata je: Kod grejanja motora ranija reakcija na otvaranju termostata. U vreme hladnog starta voda ne kruţi kroz sistem za hlaĊenje. Potrebno je da se glava motora ugreje, kako bi toplota kroz glavu i vodu koju greje glava, došla do termostata. Dodatnim grejanjem ekspanzionog elementa ventili za ―bypass‖ se otvaraju ranije. Kod delimičnog i punog opterećenja motora upravljani termostat bolje reguliše radnu temperaturu motora. Za upravljanje temperaturom rashladne tečnosti termostat sa elektronskom kontrolom koristi programsku mapu podataka, mapu podataka za temperaturu spoljnog vazduha i mape za opterećenje i brzinu motora. Upravaljanje radnom temperaturom zbog brţih i taĉnijih reakcija daje • Bolji poloţaj krivih u radnom pV dijagramu i time bolje iskorišćenje toplote • Manju emisiju štetnih gasova • Manje habanje motora jer su radni zazori u taĉnim granicama • Bolje zagrevanje kabine vozila

Sistem za hlaĊenje Elementi sistema •

Ekspanzioni sud

Zadatak: • Prihvatanje viška teĉnosti iz sistema za hlaĊenje (kod grejanja motora) • Vraćanje teĉnosti u sistem za hlaĊenje, kod manjka (kod hlaĊenja motora) • Prihvatanje mehurića pare iz sistema za hlaĊenje (odvazdušnjavanje) za oĉuvanje kontinuiteta fluida Kad motor dostigne radnu temperaturu teĉnost za hlaĊenje se poveća zapreminski za oko 10%. Razlika odlazi u ekspanzioni sud. Kad se motor ugasi, teĉnost u bloku i glavi se dodatno greje jer ne kruţi kroz sistem za hlaĊenje i još jedan deo odlazi u ekspanzioni sud. Kad se motor ohladi, teĉnost za hlaĊenje se vraća iz suda u hladnjak. U sistemu moraju postojati dva ventila na vezi sa ekspanzionim sudom: Jedan za nadpritisak, koji stvara pumpa za vodu (1.4-2.5 bar), prema sudu i drugi, na podpritisak, (~0.2 bar), jer se voda vraća u hladnjak pod dejstvom podpritiska u odnosu na atmosferski pritisak. Mehurići pare mogu nastati i na usinom kolu pumpe za vodu, jer je tamo zbog usisavanja pritisak niţi u odnosu na potisni deo kola. Ekspanzioni sud mora biti na višem nivou od sistema za hlaĊenje. U suprotnom u povratku teĉnosti iz ekspanzionog suda u sistem za hlaĊenje bi odlazili i mehurići vazduha (hidrauliĉka visina). Sud ima oznake za maksimalan i minimalan nivo teĉnosti. (Kod hladnog motora iznad min).

Sistem za hlaĊenje Elementi sistema •

Ventilator hladnjaka Zadatak: Prinudno hlaĎenje rashladne tečnosti kada vazdušna struja nije dovoljna da ohladi tečnost sistema za hlaĎenje.

Upravljanje ventilatorom i pogon ventilatora • Elektriĉni, višestepeni (releji) ili • Kontinualni (elektronska regulacija) • Mehaniĉki, preko kaiša (za najveće snage motora i kamione) • Visco ventilatori (koliĉina viskozne teĉnosti u pogonskom i gonjenom delu, veza na bazi trenja silikonskog ulja izmeĊu pogonskog i pogonjenog dela). Upravljanje punjenjem i praţnjenjem silikonskim uljem preko bimetala ili ECU. U prvom sluĉaju bimetal greje temperatura vazduha koji izlazi iz hladnjaka posle hlaĊenja teĉnosti, u drugom, kod ECU, više podataka, od radne temperature motora do osobina rashladne teĉnosti.

Oto motor, osobine • Paljenje smeše varnicom (strana energ.) • Prostiranje fronta plamena oblika sfere od mesta paljenja u homogenom radnom telu – smeši • DovoĊenje toplote pri konstantnoj zapremini (izohora) • Lako povećanje broja obrtaja • Brzohodi – velike specifiĉne snage (rad sa teorijskom smešom) • Laka konstrukcija (manji pritisci u cilindru) Nedostaci • Ne mogu da rade sa visokim stepenima sabijanja ~13-14 (fenomen detonativnog sagorevanja) • Lošija ekonomiĉnost potrošnje goriva zbog prigušenja leptirom (sem AVT – VVT u varijanti sa reg.visine izd.v.)

Dizel motor, osobine • Paljenje ubrizganog goriva toplotom iz sabijenog vazduha (bez strane energije) • Prostiranje fronta plamena od periferije mlaza goriva gde se formira smeša u heterogenom radnom telu: vazduh + smeša + gorivo • DovoĊenje toplote pri konstantnom pritisku (izobara) (voĊenje ubrizgavanja goriva sa ciljem odrţavanja konstantng pritiska) • Visoki stepeni sabijanja ~20 • Ekonomiĉni, nemaju leptir i prigušenje Nedostaci • Teţa konstrukcija (), sklonost ka ―samorazletanju‖ • Sporohodnost, manja specifiĉna snaga (višak vazduha) • Tvrd rad i manja ―ţivost‖ u odnosu na oto motor

Ekonomiĉnost potrošnje goriva PoreĊenje Oto - Dizel Kada je koristan rad, odnosno iskorišćena toplota ista • Oto motor (cilklus) je za iste stepene sabijanja ekonomiĉniji od dizel ciklusa. MeĊutim, Stepen sabijanja oto ciklusa je ograniĉen zbog samopaljenja goriva Prigušenje usisa leptirom, (sem AVT – FVVT) smanjuje ekonomiĉnost na niţim brojevima obrtaja. • Dizel motor moţe da radi sa većim stepenom sabijanja od oto motora jer nema opasnosti od samozapaljenja goriva (naprotiv). Zato je u ukupnom iznosu dizel motor ekonomiĉniji od oto motora Nema prigušenja usisa leptirom – nema leptira.

Motorni mehanizam kinematska šema

Svećice

Svećice •

Funkcija Upaljenje komprimovane smeše varnicom*.

Elektriĉna varnica pod dejstvom visokog napona generisanog u bobini preskaĉe izmeĊu elektroda svećice i predaje energiju iz spoljnog izvora smeši u prostoru za sagorevanje. Spoljni izvor energije je baterija, iz koje se struja dovodi u primarne namotaje bobine, transformiše u visoki napon u sekundarnim namotajima i kroz varnicu predaje smeši. Svećica mora da ispuni sledeće zadatke u radu: • Siguran hladan start • Pouzdan rad bez izostajanja varnice (misfire) za ceo radni vek • Radnu temperaturu u zadatim granicama (toplotna vrednost)

Svećica

Svećice • Radni uslovi Svećica je izloţena sledećim napezanjima • Visoki napon (30kV) Izolator centralne elektrode u cilindru ne sme propuštati struju ni kada su na njemu talozi pepela nastali sagorevanjem goriva i ulja, ili nesagoreli ugljenik. • Visoki pritisci (30-50 bar) Pored nominalnih vrednosti u taktu ekspanzije i 100 bar kod detonativnog sagorevanja. • Mehanička naprezanja Otpornost na vibracije. Dobro zaptivanje prostora za sagorevanje kod pravilnog zavijanja. Metalno kućište praktiĉno ne sme imati deformacije kod pritezanja jer nemetalni izolator tela svećice nije elastiĉan. • Hemijska otpornost Hemijske reakcije sastojaka goriva na visokim temperaturama stvaraju agresivne taloge na koje svećica mora biti otporna. • Temperatura (2000 do 3000°C) Otpornost izolatora na temperaturne promene (thermal stress) 120°-2000°C = usisavanje/sagorevanje. Dobra odvoĊenje toplote prema glavi motora: Prikljuĉak visokog napona svećice treba da se greje što manje. Grejanje smanjuje vek trajanja elemenata visokog napona koji su na svećicu prikljuĉeni. Naroĉito je ugroţen sklop koji je istovremeno i pojedinaĉna bobina za svaku svećicu, montira se na samu svećicu, a svećica je u metalnom oklopu za spreĉavanje stvranj el.mag. smetnji.

Svećice

• Konstrukcija Osnovni delovi svećice su • Provodnik sa navojem za visoki napon i prikljuĉak (nasadni) • Izolator (Al 2O3) Keramiĉki materijal, sa opreĉnim zahtevom izolacije od toplote (prema pojedinaĉnoj bobini) i provoĊenja toplote sa disipacijom toplote. Glazura keramike spreĉava zadrţavanje vlage i prljaštine na izolatoru i proboj visokog napona u dolasku kroz vlagu i prljavštinu prema masi umesto izmeĊu elektroda. • Kućište sa navojem Metalno školjkasto, sa suţenjem izmeĊu nalegajućeg dela i dela za pritezanje (Otvor Kljuĉa – OK). Suţenje preseca tok toplote. Do 4 lemljene elektrode (masa). Hladno oblikovan ĉelik iz više koraka u kalupu iz ―ţice‖. Dodaju se elektrode prema masi i reţe navoj. Izolator se umeće i spaja savijanjem metala kućišta koji se greje induktivno.* Šestougaoni otvor kljuĉa, ili, novije 12-ugaoni, za smanjenje OK (sa 16 na 14) za iste dimenzije izolatora. (Manje prostora potrebnog za kljuĉ svećice). • Zaptivni prsten svećice Ravan elastiĉan prsten u sklopu sa svećicom. Postoji i veza bez prstena, gde funkciju zaptivanja kompresionog prostora preuzima koniĉan deo svećice neposredno sa glavom cilindra. • Elektrode Centralna od bakra koji dobro provodi toplotu u cilju hlaĊenja. Svećice dugog veka: Vrh od antikorozivnog metala (legura nikla ili platine) spojen topljenjem laserom (zavarivanje) sa osnovom od bakra (Cu/Ni) ili cela elektroda od platine (tanka ţica) ili legure platine i srebra. Boĉne elektrode od legure nikla, zavarene na školjku kućišta. Duţina elektrode i površina kraja elektrode utiĉu najviše na istrošenje elektrode. Ĉist metal bolje provodi toplotu, ali su legure otpornije na hemijsku koroziju. • Staklo za zaptivanje Provodljivo za visoki napon. Spaja provodnik za visoki napon sa centralnom elektrodom i spreĉava prolaz gasova pored provodnika za visoki napon.

Svećica – konstrukcija

IzmeĊu elektrode i visokonaponskog prikljuĉka (ţuta boja) nalazi se elektroprovodno staklo (za visoki napon) za zaptivanje izduvnih gasova. Konstruktivno suţenje školjkastog kućišta ―preseca‖ termiĉko polje prema izolatoru.

Svećice – tople i hladne

Duţina izolatora oko centralne elektrode odreĊuje intenzitet grejanja svećice. Duţi izolator spreĉava da se odvede više toplote na glavu cilindara – toplija svećica, kraći izolator hladnija svećica. Manji brojevi oznaĉavaju toplije svećice (kraće vreme zagrevanja i viša radna temperatura, veći brojevi – hladnije svećice. (Toplotna vrednost svećice*.)

Svećice

• Put varnice Varnica preskaĉe sa centralne elektrode na boĉne elektrode prema masi. Preskok se moţe ostvariti: • Kroz vazduh Varnica skaĉe izmeĊu elektroda. Zahteva najviši napon, duţina varnice je manja. Samoĉišćenje svećice vezano za radnu temperatur je naroĉito znaĉajno kod ovih svećica, kada uljem zamašćena svećica, ili talogom od sagorevanja moţe odvoditi varnicu prema masi. • Po površini izolatora Varnica klizi po površini izolatora, posle ĉega preskaĉe kroz vazduh na elektrodu prema masi. Zahteva niţi napon, jer varnica lakše ide (puzi) preko površine nego kroz vazduh. Duţina varnice je veća za isti napon kao kod preskoka kroz vazduh. Duţa varnica daje veće jezgro plamena na poĉetku sagorevanja. Pri tom, prelazeći preko izolatora varnica ĉisti površinu izolatora. • Kroz vazduh i po površini Kombinacija prethodna dva metoda, koja se postiţe pozicioniranjem vrha elktrode prema masi na taĉno odreĊenim rastojanjima od izolatora i centralne elektrode, tako da varnica moţe preskoĉiti i kroz vazduh i po površini izolatora. Da li će varnica preskoĉiti kroz vazduh ili ići po površini, zavisi od gustine smeše i naĉina rada motora. (TakoĊe i od promene zazora usled istrošenja.) Kod ponovljenih startova svećica će biti vlaţna od goriva koje se na njoj kondenzuje iz smeše, jer je hladnija od radnog tela koje se komprimuje. Varnica (struja) lakše tada ide po površini izolatora. • Zazor izmeĎu elektroda Veći zazor – razmak elektroda zahteva viši napon. Ako nema dovoljno (rezerve) napona, varnica će izostati. Premali zazor zahteva niţi napon, ali daje kratak put – duţinu varnice, zbog ĉega će formirano jezgro plamena biti slabo za dalje sagorevanje. Dejstvo je sliĉno kasnijem paljenju, daje nepovoljan tok krive sagorevanja u pV dijagaramu.

Svećice – put varnice, razliĉit poloţaj elektroda

Gore: Preskok varnice kroz vazduh od centralne elektrode na boĉnu elektrodu ka masi.

Dole: Preskok varnice od površine izolatora ka boĉnoj elektrodi prema masi. Prethodno varnica klizi od centralne elektrode po površini izolatora. Desno: Preskok po površini sa leve strane (vlaţna izolacija i/ili prljava) ili kroz vazduh, sa desne strane (suva i ĉista izolacija). Ako je izolacija ĉista nema puzanja varnice, zazor na levoj strani je veći nego na desnoj, varnica skaĉe prema elektrodi na desnoj strani, gde je zazor manji. Zazori elektroda su definisani i meĎusobno i prema izolatoru*.

Svećice • Pozicija svećice Za poziciju svećice u cilindru se uzima mesto preskakanja varnice izmeĎu elektroda. Postavljanje sećice više u dubinu prostora za sagorevanje deluje povoljno na sagorevanje: Put fronta plamena se skraćuje prema daljim zidovima prostora za sagorevanje, pa je rad motora mirniji, a motor radi pouzdanije sa siromašnom smešom. MeĊitim, put toplote sa elektroda svećice do glave motora je duţi, toplota se sporije odvodi i grejanje elektroda, kao i njihovo istrošenje je veće. ―Slobodna duţina‖ svećice raste, sa slobodnom duţinom opada prirodna frekvencija oscilacija, i bliţi se rezonatnim frekvencijama svećice, koje mogu da izazovu vibracije motora. Potrebno je tada koristiti elktrode prema masi kompozitno sa bakrom i materijalima otpornim na povišene temperature, te povećati dimenzije svećice sa spoljne strane glave motora kako bi se uticalo na udaljenje rezonantne frekvencije svećica od vibracija motora.

Svećice • Radna temperatura U radu svećica se greje pri sagorevanju, a hladi odvoĊenjem toplote preko glave motora. Delimiĉno se hladi i smešom pri usisu, koja je niţe temperature. Svećica se bira za svaki tip motora posebno, za uslove maksimalnog opterećenja motora. Svećica je u termiĉkoj ravnoteţi kad odaje onoliko toplote koliko i dobija i tada ima i svoju radnu temperaturu. Radna temperatura svećice treba da se nalazi u granicama 500 - 900°C. Donja granica radne t. odreĊena je minimalnom temperaturom koja obezbeĊuje samoĉišćenje svećice od taloga iz procesa sagorevanja. Gornja granica radne t. odreĊena je najvišom temperaturom koja ne prouzrokuje paljenje smeše toplom svećicom (površinsko paljenje toplim mestom). Toplotna vrednost svećice iskazuje se brojem.* Hladne svećice su one koje imaju veću disipaciju toplote i koriste se za termiĉki napregnute motore, tople svećice imaju manju disipaciju toplote i koriste se za termiĉki manje napregnute motore. Topli motori više greju svećicu, pa koriste hladnije svećice, kako radna temperatura i toplota svećice ne bi bile tolike da se upali smeša. Hladni motori ne greju dovoljno svećicu, pa koriste tople svećice, kako bi radna temperatura i toplota svećice bile dovoljne da obezbede njeno ĉišćenje sagorevanjem naslaga na elekrodama i izolatoru.

Svećice

• Održavanje Podešavanje zazora izmeĎu elektroda se vrši samo na svećicama koje imaju boĉnu elektrodu iznad centralne i varnicu koja preskaĉe izmeĊu elektroda kroz vazduh. Svećicama koje imaju boĉne elektrode pored centralnih, odnosno funkcionišu sa varnicom po površini ili po površini i kroz vazduh, ne treba podešavati zazor, jer to vodi u poremećaj naĉina njihovog rada. (Nije ih moguće taĉno podesiti bez odgovarajućeg alata i potom testirati). Odvijanje Pre potpunog odvijanja svećicu treba otpustiti za nekoliko krugova i onda oĉistiti i izduvati prljavštinu u glavi oko svećice komprimovanim vazduhom. Prljavština na glavi motora oko svećice ne sme da doĊe u navoj svećice na glavi ili upadne u prostor za sagorevanje posle odvijanja i vaĊenja svećice. Potom odviti do kraja i izvaditi svećicu. U navoju za svećicu u glavi cilindra moţe biti taloga. To oteţava odvijanje. Odviti svećicu nekoliko navoja, sipati sredstvo za odvijanje u navoj, zaviti svećicu bez pritezanja, saĉekati da deluje sredstvo. Onda odviti svećicu potpuno. Uvijanje Svećice treba uvijati suve i ĉiste, u ĉiste navoje i na ĉistu površinu glave na mestu naleganja zaptivnog prstena, ako je tip svećice sa prstenom. Pritezati svećice dinamometarskim kljuĉem. Voditi raĉuna da kljuĉ ne stoji krivo, jer moţe oštetiti izolator ili kućište svećice. (Napon/zaptivanje). Kljuĉ (nasadni) ne sme pritisniti vrh centralne elektrode, ili biti zakrivljen kod zavijanja. Koristiti dinamometarski ključ uvek kada je na raspolaganju.* Bez dinamometarskog ključa: Zaviti rukom svećicu do naleganja na cilindarsku glavu. (Dalje nije moguće rukom). Zatim izvršiti dotezanje po uglu: Nove** sa prstenom za 90°, upotrebljavane sa prstenom za 30°, a koniĉne (bez prstena) za 15 °. Odvijanje i uvijanje svećice vršiti samo na hladnom motoru. Koristiti uvek svećice propisane toplotne vrednosti i dužine navoja. Ne skidati zaptivajući prsten sa svećice koja nije koniĉna i ne stavljati zaptivajući prsten na svećicu koja je koniĉna (svećica nema prsten jer zaptiva konusnom površinom).

Svećica sa varnicom kroz vazduh

Svećica sa ĉetiri elektrode prema masi, fabriĉki podešen zazor elektroda za ceo vek trajanja svećice

Tipovi i koncepcije svećica

Preskok varnice: Vazduh-povšina, vazduh, sa podešavanjem zazora, vazduh, bez podešavanja zazora