Sus Motori

Univerzitet u Nišu Fakultet Zaštite na radu

Predmet: Zaštita na termopostrojenjima

SEMINARSKI RAD Motori sa unutrašnjim sagorevanjem - SUS motori

Mentor: Ljiljana Živković

Student: Marjanović Aleksandar – 06208 Kostić Aleksandar – 06130 Božilov Aca – 06119

Niš , 2008.

2

1. UVOD 1.1.

DEFINICIJA MOTORA SUS

Mašine koje preobražavaju bilo koji vid energije u mehaničku energiju nazivaju se motorima. Zavisno od vida polazne energije motori se dele na toplotne, električne, vodene i dr. Motori sa unutrašnjim sagorevanjem spadaju u grupu toplotnih motora. Kod njih se toplotna energija dobivena sagorevanjem goriva, preobažava delimično u mehaničku energiju. Prema mestu gde se obavlja sagorevanje goriva, odnosno prema tome da li su produkti sagorevanja istovremeno i radni medijum, toplotni motori dele se u dve grupe: • Motori sa spoljašnjim sagorevanjem (motori SSS) • Motori sa unutrašnjim sagorevanjem (motori SUS) Kod motora sa spoljnim sagorevanjem, sagorevanje goriva i predaja toplote radnom medijumu (pari ili vazduhu), vrši se u posebnom aparatu (parni kotao, zagrejač vazduha itd.), čime se povećava energetski potencijal radne materije izražen pritiskom i temperaturom. Ovako energijski opterećen radni fluid dovodi se u motor, u kome se njegova potencijalna energija, putem širenja delimično pretvara u mehaničku energiju. U ovu grupu spadaju parni i vazdušni motori, pri čemu mogu biti izvedeni kao klipni ili kao turbinski. Kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem proces sagorevanja obavlja se u samom motoru. Toplota oslobođena tokom sagorevanja predaje se produktima sagorevanja, čime se povećava njihov energetski potencijal izražen pritiskom i temperaturom. Širenjem gasova u samom organskom sklopu motora, jedan deo sadržane toplotne energije preobražava se u mehanički rad. Ovde spadaju klipni, turbinski i mlazni motori SUS. Dakle, suštinska razlika između ove dve grupe toplotnih motora je u tome, što kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem kao radna materija javljaju gasovi nastali u toku procesa sagorevanja, tzv. produkti sagorevanja, dok se kod motora sa spoljnim sagorevanjem kao radna materija koristi posredni medijum (para, vaduh). Toplota oslobođena sagorevanjem ide i ovde prvo na zagravanje produkata sagorevanja, a sa ovih se predaje posrednom medijumu koji se potom toplotno opterećen, vodi u toplotni motor. Sada kad vam je jasno šta su to motori, i zašto je neophodno naglasiti da se radi o motorima SUS, mogu i slikom da vam prikažem princip rada klipnih motora SUS koji su i najzastupljeniji u praksi. Postoje dve vrste klipnih motora u zavisnosti od toga kakvo kretanje klip vrši pa razlikujemo: • Klipne motore sa translatornim kretanjem klipa i • Klipne motore sa rotacionim kretanjem klipa (Wankel sistem) Na donjoj slici prikazan je teorijski motor sa translatornim kretanjem klipa koji se danas najčešće primenjuje na vozilima, brodovima i industrijskim postrojenjima. POKRETNI DELOVI MOTORA 1. Klipna grupa (klip, klipni prstenovi, osovinica klipa, osigurači osovinice...) 2. Grupa klipnjače (klipnjača, ležišne čaure.....) 3. Grupa kolenastog vratila (kolenasto vratilo, radijalni i aksijalni ležajevi......) NEPOKRETNI DELOVI MOTORA 1. Cilindarske košuljice 2. Cilindarska glava 3. Motorska kućica

3

Ipak, nabrojani delovi teorijskog motora nedovoljni su za trajno ostvarenje korisnog rada na realnom motoru SUS. Iz tog razloga na realnom motoru neophodno je prisustvo čitavog niza elemenata ili grupa elemenata koji se nazivaju sistemima motora a to su: 1. Sistem razvoda radne materije (bregastio vratilo, vetili, podizači ventila, klackalice, opruge, vođice ventila .....) 2. Sistem napajanja gorivom (napojna pumpa, transfer pumpa, pumpa visokog pritiska.....) 3. Sistemi za obrazovanje smeše (karburator, sistemi za ubrizgavanje goriva.....) 4. Sistem paljenja smeše (svećice, indukcioni kalem, razvodnici paljenja......) 5. Sistem hlađenja (pumpa za rashladnu tečnost, termostat, hladnjak, ekspanziona posuda......) 6. Sistem podmazivanja (pumpa za ulje, prečistač za ulje....) 7. Sistem startovanja (sistemi električnog startovanja, sistemi ručnog startovanja....) 8. Sistem regulisanja broja obrta kolenastog vratila (jednorežimski, dvorežimski, sverežimski....) 1.2. ISTORIJAT SUS MOTORA Motor sa unutrašnjim sagorevanjem konstruisao je Nikolas August Otto (1832-1891) po kome se ovaj motor naziva i Oto motor. Ovaj pronalazak bio je prva praktična alternativa parnoj mašini. Otto je napravio prvi benzinski motor 1861. godine. Tri godine kasnije oformio je partnerstvo sa velikim Nemačkim industrijalcem Eugenom Langenom sa kojim razvija poboljšanu verziju motora koja 1867. osvaja zlatnu medalju na Pariskoj Izložbi. 1876. Otto konstruše četvorotaktni motor sa unutrašnjim sagorevanjem, najsličniji onom koji poznajemo danas. Četvorotaktni ciklus patentirao je 1862. francuski inženjer Alphonse Beau de Rochas ali kako je Otto prvi konstruisao sam motor do danas ciklus je poznat kao Ottov ciklus. Zanimljivo je da je u Ottovoj firmi radio i Gottlieb Wilhelm Daimler kao tehnički direktor. Daimler je 1882. napustio ovu firmu i zajedno sa Wilhelmom Meybachom osnovao sopstvenu. 1885. patentirali su četvorotaktni motor sa karburatorom koji je omogućavao upotrebu benzina kao osnovnog goriva. Prvi od motora isprobali su na bicikolu (ovo je verovatno i prvi motorcikl ikad napravljen), zatim na kočiji sa četiri točka (1886.) i na čamcu (1887.). 1889. su dizajnirali i napravili prvi automobil. 1890. osnivaju Daimler-Motor-Gesellschaft, firmu koja 1899. pravi prvi Mercedes. Pored Otto-a, u ovoj oblasti radio je i Rudolf Diesel. Njegov rad bio je usmeren razvoju četvorotaktnog toplotnog motora čiji bi ciklus bio što bliži Karnoovom. 1890. je došao na ideju dizel-motora koji danas poznajemo. 1892. je dobio i nemački patent a dokumentaciju o samom motoru objavio pod naslovom Theorie und Konstruktion eines rationellen Wäremotors (Teorija i konstrukcija racionalnog toplotnog motora). Uz podršku firmi Maschinenfabrik Augsburg i Krupp proizvodi seriju sve uspešnijih modela što kulminira 1897. kada je demonstrirao jednocilindrični, četvorotaktni motor od 25ks. 1.3. MOTORI SA UNUTRAŠNJIM SAGOREVANJEM Motor sa unutrašnjim sagorevanjem podrazumeva uredjaj kod koga i reaktanti sagorevanja (oksidant, najčešće vazduh, i gorivo) i produkti sagorevanja služe dobijanju radne energije. Konkretnije, energija se dobija iz toplote oslobodjene sagorevanjem smeše oksidanta i goriva. Koristan rad dobija se kao rezultat delovanja vrelih, gasovitih produkta sagorevanja na pokretnim delovima motora kao što su klipovi, lopatice turbine ili brizgaljka. Prema tipu ciklusa motori sa unutrašnjim sagorevanjem dele se na dve grupe – motore sa kontinualnim i motore sa isprekidanim sagorevanjem. Kontinualno sagorevanje podrazumeva stalan protok goriva i vazduha kao i njihovo konstantno paljenje (mlazni motori kod aviona, npr.). 4

Isprekidano sagorevanje podrazumeva da se u odredjenom ciklusu,periodično, konačne količine vazduha i goriva pale i potom prolaze kroz ostale delove ciklusa. Ovo je tipično za benzinske i dizel motore sa klipovima kakve vidjamo u automobilima. Pored ove, postoje i podele motora sa unutrašnjim sagorevanjem prema tipu goriva i metodi ubrizgavanja, načinu paljenja, načinu kretanja klipova (pravolinijski i rotacioni), rasporedu cilindara, broju taktova u ciklusu (dvotaktni, četvorotaktni), tipu rashladnog sistema i prema tipu ventila i njihovoj lokaciji. Rad motora sa unutrašnjim sagorevanjem predstavlja se kao niz termodinamičkih procesa. Kod motora sa kontinualnim sagorevanjem ovo procesi se odigravaju simultano dok kod druge vrste procesi slede jedan za drugim i njihovo vremensko pojavljivanje se može jasno ograničiti. Sa izuzetkom raketnih motora, motori sa unutrašnjim sagorevanjem uvlače vazduh spolja a zatim ili uvode gorivo u vazduh ili obrnuto i kompresuju dobijenu smešu, pale je, ekstraktuju rad gasovitih produkta sagorevanja ekspanzijom i na kraju izduvavaju ostatak gasova. Najuobičajeniji motori sa unutrašnjim sagorevanjem u upotrebi su benzinski i dizel četvorotaktni motori. U ovo grupu takodje spadaju gasne turbine, supersonični motori, raketni motori sa potiskivanjem. 2.

ČETVOROTAKTNI MOTORI SUS

Skoro sigurno ste u jednom trenutku pogledali pod haubu automobila i pomislili: šta je ovde motor i čemu sve ovo služi, ili ste čuli od nekoga da kaže "šesnaest ventilski motor", "dve bregaste" ili nešto slično i niste razumeli o čemu se tu tačno priča. Pokušaćemo da malo pojasnimo neke termine kao i da ukratko opišemo rad motora.

2.1. OSNOVE Svrha motora je da pretvara gorivo u kretanje i time obezbedi pokretanje automobila. Trenutno, najlakši način da se napravi kretanje od goriva je sagorevanje goriva unutar motora. Daklem, automobilski motor je motor sa unutrašnjim sagorevanjem - sagorevanje se odigrava u njegovoj unutrašnjosti. Treba zapaziti par stvari: - Postoje različite vrste motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Dizel motori su jedna, mlazni motori druga, benzinski treća, a rotacioni (Vankel) opet neka četvrta grupa. Svaka od tih grupa naravno ima svoje prednosti i mane. - Postoje i motori sa spoljašnjim sagorevanjem. Parna mašina je tipičan primer motora sa spoljašnjim sagorevanjem. Međutim zbog određenih razloga (velike dimenzije, mala efikasnost) ti motori su jako nepraktični za automobile. Danas veliki procenat automobila koristi motor sa unutrašnjim sagorevanjem iz sledećih razloga: 1. Relativna efikasnost (u poređenju sa motorima sa spoljašnjim sagorevanjem) 2. Relativna jeftinost (u poređenju sa gasnim turbinskim motorima - koriste ih avioni) 3. Relativno lako dosipanje goriva (u odnosu na električne motore) 5

Ovo su prednosti tehnologije koja za sada omogućava najjeftiniju proizvodnju automobila.

6

2.2. SAGOREVANJE Kada se kaže automobilski motor, uglavnom se misli na četvrototaktni ciklus sagorevanja koji obezbeđuje da se sagorevanje goriva pretvori u kretnju. Četvorotaktni ciklus je smislio Nikolaus Otto 1867. godine, pa je po njemu nazvan Otto ciklus. Ono što razlikuje benzinse i dizel motore je da smesu goriva i vazduha u cilindru koje je kompresovao klip kod benzinskog motora pali svećica iskrom, dok se kod dizela smeša sama pali usled visokog stepena kompresije koja usijava vazduh do tačke kada on sam eksplodira. Pojedinačno, radne faze četvorotaktnog obavljaju sledeće procese: 1. Usisavanje 2. Kompresovanje 3. Ekspanizija 4. Izduvavanje Rekli smo da je za sagorevanje potrebno pomešati vazduh i gorivo. Za potpuno sagorevanje najpovoljniji odnos goriva i vazduha je stalan i iznosi (14,7 : 1 u korist vazduha kod benzinskih motora). Za povećanje dobijene energije (tako i snage motora) naprosto potrebno je sagoreti više smese. Zato motori veće zapremine po pravilu razvijaju veću snagu jer im u cilindar stane više smese. Klip (koji sabija smesu odn. vazduh) u radu se kreće između dva položaja - donje i gornje mrtve tačke pri čemu prelazi put koji nazivamo hod klipa. Uzmemo li u obzir njegov prečnik (klipovi su u pravilu okruglog preseka), zapreminu cilindra može se predstaviti kao prostor koji se nalazi između ta dva krajnja položaja klipa. Pri tome zapreminu nekog motora možemo predstaviti kao proizvod zapremine jednog cilindra i broja cilindara. Odnos najveće zapremine cilindra (kada je klip u donjoj mrtvoj tački) i prostora u koji je smesa sabijena dolaskom klipa u gornju mrtvu tačku nazivamo stepenom kompresije. Od stepena kompresije znatno zavisi energija koju dobijamo sagorevanjem smese, a njegovim povećanjem (do izvesne granice) raste i snaga motora. Posledica sagorevanja smese je povećanje zapremine gasova unutar cilindra. Ova ekspanzija pokreće klip prema dole, a on posredstvom klipnjače okreće kolenasto vratilo (radilicu). Ovo pravolinisko kretanje klipa pretvara se u kružno koje se potom predaje prenosnom mehanizmu, a na kraju točkovima. Da bi motor mogao pravilno "disati", tj. usisavati smesu u cilindar i izbacivati iz njega produkte sagorevanja, brinu se ventili. Postoje dve vrste ventila: usisni i izduvni, a ritam njihovog otvaranja i zatvaranja diktira broj obrtaja motora koji se menja obzirom na to koliko je pritisnuta papučica gasa. Moderni motori radi bolje razmene gasova imaju više ventila po cilindru. Tako dva usisna i dva izduvna ventila jednom (četverocilindričnom) 16-ventilskom motoru omogućavaju znatno bolje "disanje", a time i ostvarivanje veće snage u poredjenju s klasičnom (dvoventilskom) verzijom.

Taktovi su poređani s leva na desno: 1. takt: Usis (usisni ventil je otvoren, izduvni zatvoren) 2. takt: Kompresija (oba ventila su zatvorena, klip sabija smesu) 3. takt: Ekspanzija (iskra svečice pali smesu, a gasovi se šire potiskujući klip) 4. takt: Izduv (izduvni ventil je otvoren, usisni zatvoren) 7

2.3. PRINCIP RADA ČETVOROTAKTNIH MOTORA Četiri termodinamička ciklusa prikazana na slici odigravaju se sukcesivno sledećim redosledom: 1. usisavanje – ventil je otvoren i klip se spušta što kreira parcijalni vakuum koji uvlači gorivo i vazduh (kod benzinskog motora, a kod dizela je malo drugačije) u cilindar 2. kompresija – oba ventila su zatvorena, klip se spušta i na taj nači kompresuje smešu. Pred sam kraj ovog dela ciklusa smeša se pali. 3. sagorevanje – kako su oba ventila i dalje zatvorena, pod dejstvom zapaljenog gasa koji se širi, klip se ponovo spušta (u ovom delu ciklusa se vrši koristan rad koji se iskorišćava za dobijanje energije) 4. izduvavanje – drugi ventil se otvara, klip se podiže i gas izbacuje iz cilindra

Četvorotaktni motori su takozvani klipni motori. Osnovni delovi su cilindar i klip neznatno uži od cilindra. U vezi sa njima postoji nekoliko specifičnih termina: 1. zapremina na donjoj mrtvoj tački (VBDC – Volume at Bottom Dead Center) definiše se kao zapremina izmedju glave cilindra i čeonog zida klipa kada je klip u najdaljem položaju od glave cilindra 2. zapremina na gornjoj mrtvoj tački (VTDC – Volume at Top Dead Center) definiše se kao zapremina izmedju glave cilindra i čeonog zida klipa kada je klip u najbližem položaju glavi cilindra – zapremina kompresionog prostora. Razdaljina koju klip predje ozmedju VBDC i VTDC naziva se hod klipa,razlika ovih zapremina čini radnu zapreminu klipa dok je odnos ove dve zapremine VBDC/VTDC poznat kao stepen kompresije. 2.4. ZAPREMINA Prostor u kome se komprimovanje i eksplozija smese dešavaju se pod kretnjom klipa menja, tj. menja svoju zapreminu. Ta zapremina, dakle, ima svoju minimalnu i maksimalnu vrednost. Razlika između njih se naziva zapreminom motora i meri se u litrama, kubnim centimetrima (cm3) ili u područjima gde još uvek ne važi metrički sistem u kubnim inčima (cin). Jedan litar ima 1000 cm3, dok jedan kubni inč ima oko 16,4 cm3. Na primer: Motorcikl može imati motor od 50 pa do 1300 cm3. Sportski automobil može imati motor od 5l (ili 5000 cm3). Većina običnih putničkih automobila danas ima između 1000 i 3000 cm3. 8

Cilindri imaju iste zapremine pa četvorocilindrični motor od 2.0l ima zapreminu jednog cilindra od 500 cm3. U principu zapremina može ugruba da prikaže koliko motor može snage da razvije. Raspored cilindara u motoru može biti redni, u V (pod nekim uglom) ili položeni ili tzv. bokser motori.

Bokser motor

Redni motor

Motor u "V" rasporedu

OHV i OHC motori

9

3. DVOTAKTNI MOTORI Razlika između dvotaktnih i četvorotaktnih motora je u tome što dvotaktni motor obavi ista četiri procesa (usisavanje, sabijanje, paljenje i izduvavanje), koja četvorotaktni motor obavi za četiri hoda klipa, u samo dva hoda klipa. Ovo se postiže na taj način što je prostor ispod klipa iskorišten za usisavanje vazduha i kompresiju, što dozvoljava da se komora iznad klipa koristi samo za procese izduvavanja i paljenja. Tako kod dvotaktnih motora dolazi do procesa paljenja pri svakom obrtaju radilice, a kod četvorotaktnih kod svakog drugog obrataja. Zbog ovog dvotaktni motori imaju veliku specifičnu snagu, tj. snagu po jedinici mase, pa se veoma korisni za upotrebu u uredjajima male mase. Sa druge strane od početka 20-tog veka veliki dvotaktni dizel motori se koriste u industriji, na primer kao motori lokomotiva. 3.1. PRIMENA Najmanji benzinski motori su obično dvotaktni. Popularni su zbog jednostavnog dizajna i male cene i odličnog odnosa snage i mase. Najveći nedostatak ovih motora je što skoro uvek dolazi do mešanja goriva sa uljem, što znatno povećava emisiju štetnih polutanata, pa se gde god je moguće dvotaktni motori zamenjuju četvorotaktnim. Dvotaktni motori se i dalje masovno koriste za pokretanje motora, mopeda, skutera, kartinga, kosilica za travu i motornih testera. Posebno je zanimljiva dominacija ovih motora za korišćenje u motociklima visokih performansi. Najmasovnija upotreba dvotaktnog ciklusa je u Diesel motorima, koji se koriste kao veliki brodski motori malih brzina i kao motori kamiona i druge teške mašinerije.

3.2. DVOTAKTNI DIESEL MOTORI Za razliku od benzinskih motora, kojima je potrebna svećica za paljenje gorive smeše u cilindru, paljenje smeše kod Diesel motora se zasniva na toploti kompresije. Kod Diesel motora gorivo se ubrizgava pod visokih pritiskom u jako zagrejani kompresovan vazduh i on se odmah pali. Kućište motora i klipovi prestavljaju vrlo loše kompresore, pa bez dodatnog kompresora nije moguće dostići potreban stepen kompresije za odvijanje Diesel-ovog ciklusa koji bi imao visok stepen korisnosti. Zato se kod ovih motora koriste kompresori za punjenje i ispiranje cilindra. Dvotaktni dizel motori nemaju tradiciju korišćenja u automobila. 60-tih godina prošlog veka su ugrađivani u traktore tegljače i kamione, a danas su još u upotrebi u kamionima pretežno u SAD. Značajne prednosti Diesel-ovog procesa, u odnosu na Ottov, su: • znatno niži najveći broj obrtaja, usled ograničenja koje postavlja kratko vreme koje stoji na raspolaganju za stvaranje gorive smeše; • sveukupno manja toplotna opterećenja elemenata motora zbog potrebnog pritiska vazduha. 10

Prednosti i mane dvotaktnih dizel automobilskih motora u odnosu na četvorotaktne Za dvotaktne motore: • dvaput veće frekvencija radnih procesa, iz čega proizilazi manja radna zapremina i manja masa motora; • dvaput veće frekvencija radnih procesa ima za posledicu znatno ujednačeniji obrtni moment motora, već od najnižeg broja obrtaja. Odavde proizilaze značajne prednosti u dinamici vožnje i udobnosti, ako i potencijalne prednosti u pogledu smanjenja potrošnje goriva i radne zapremine na osnovu smanjenja broja cilindra i smanjenja broja obrtaja praznog hoda motora; • kod nižeg broja obrtaja obrtni moment je približno dvostruko veći, zbog dvaput veće frekvencije radnih procesa. Time se kod smanjivanja dimenzija motora omogućuje lakši polazak vozila, i primenom prenosnika snage sa malim prenosnih odnosima čime se postiže manja potrošnja; • manja količina vazduha za ispiranje cilindra i manja masa dvotaktnog motora za istu snagu rezultuju bržim zagrevanjem motora nakon hladnog starta (zagrevanje kabine je brže, manji su i gubici trenja). Veće temperature izduvnih gasova ali manji maseni protok pružaju znatno bolje uslove za prečišćavanje u katalizatoru (veće temperature hemijskih reakcija, manje brzine strujanja); • usled dvaput veće frekvencije radnog procesa radni pritisci u cilindru su kod iste snage motora znatno niži nego kod četvorotaktnih motora sa visokim stepenom kompresije, pa su i mehanička opterećenja klipnog mehanizma znatno niža. Zbog toga klipni mehanizam i kućište motora mogu biti laganiji; • znatno lakši hladni start motora; • usled dvaput veće frekvencije radnog procesa srednji efektivni pritisak je upola manji za istu specifičnu snagu. Usled toga su temperature i pritisci u cilindru niži pa se, uz lako ostvarljivi veliki udeo zaostalih izduvnih gasova u cilindru, smanjuje sirova emisija NO x, posebno kod smanjnog opterećenja, a i manja je buka; • bregasto vratilo se vrti istom brzinom kao i kolenasto, pa se ovo može iskoristiti za uravnoteženje sila inercije oscilujućih masa prvog reda i njihovih momenata, što je od posebnog značaja za motore sa malim brojem cilindra. Protiv dvotaktnih motora: • za punjenje cilindra potreban je poseban kompresor, jer je pritisak u cilindru tokom celog procesa veći od atmosferskog; • dvotaktni motori je, zbog dvaput veće frekvencije radnih procesa i veće gustine snage, toplotno i frikciono jače opterećen, što kod projektovanja zahteva vrlo pažljivu analizu pri konstrukciji klipnog mehanizma; • cilindarski blok i kućište kolenastog vratila su vrlo složenog oblika, zbog spojnih i izduvnih kanala. S druge strane se na ventilski mehanizam postavljaju visoki zahtevi zbog dvaput veće frekvencije i kraćeg vremena otvorenosti ventila; • usisni i izduvni kanali na cilindru prestavljaju veliki nedostatak u pogledu opterećenja klipnih karika i potrošnje ulja; • za izmenu radnog medijuma stoji na raspolaganju ograničen ugao zaokreta kolenastog vratila u blizini donje mrtve tačke. 3.3. DVOTAKTNI OTTO MOTORI

11

Za razliku od dvotaktnih Diesel motora, dvotaktni Ottov motor ima dugu tradiciju upotrebe u automobilima. Glavne prednosti ovih motora su mala težini i zapremina, jednostavnost održavanja, mehanička jednostavnost i jeftinoća.

12

Dvotaktni motori koriste prostiji Ottov ciklus od četvorotaknih motora. Ottov ciklus prestavlja energetski ciklus koji se sastoji od adijabatske kompresije, zagrevanja pri konstantnoj zapremini, adijabatske ekspanzije i hlađenja pri konstantnoj zapremini. Ovaj ciklus karakterišu četiri procesa: usisavanje, sabijanje, paljenje i izduvavanje. Kod dvotaktnih motora se procesi paljenja i izduvavanja, tj. usisavanja i sabijanja, dešavaju istovremeno. Tako do procesa paljenja ⁄ izduvavanja dolazi odmah po paljenju smeše. Klip se kreće na dole i otvara izduvnu granu, pa većina izduvnih gasova pod pritiskom izlazi iz cilindra. Klip nastavljajući kretanje na dole, kompresuje mešavinu ulje-benzin-vazduh koja se nalazi u ramu motora. Kada vrh klipa otvori spojni kanal, kompresovana smeša prelazi iz rama motora u cilindar i preostali izduvni gasovi se izbacuju iz cilindra. Proces usisavanja ⁄ sabijanja počinje kada smeša ulje-benzin-vazduh uđe u cilindar i klip počne da se kreće na gore. Ovo kompresuje smešu u cilindru dok se ramu motora vrši usisavanje vazduha, benzina i ulja. Kompresovana smeša se pali iskrom iz svećice i ciklus se ponavlja. Prednosti i mane dvotaktnih Otto automobilskih motora u odnosu na četvorotaktne Za dvotaktne motore: • dvaput veće frekvencija radnih procesa, iz čega proizilazi upola manji srednji efektivni pritisak (kao mera opterećenosti motora). Ovo omogućuje laganiju konstrukciju, manju jediničnu masu i manju radnu zapreminu; • usled dvaput veće frekvencije radnih procesa ima za posledicu relativno visok i ujednačen obrtni moment motora, već i kod malog broja obrtaja. Time se već sa malim brojem cilindara omogućuje visoka brzina vožnje uz mali broj obrtaja motora, što za posledicu ima malu potrošnju goriva; • masa usisavanog vazduha može varirati u širokim granicama u velikom delu radnog područja motora, čime se omogućuje manji rad izmene radnog medijuma i brže zagrevanje hladnog motora, a može se smanjiti i bespotrebno hlađenje motora pri malim opterećenjima. Protiv dvotaktnih motora: • usled dvaput veće frekvencije radnih procesa i veće gustine snage dvotaktnih Otto motora dolazi do većeg toplotnog opterećenja cilindra, klipa i ležaja osovinice klipa; • za punjenje cilindra potreban je poseban kompresor, jer je pritisak u cilindru tokom celog procesa veći od atmosferskog; • zbog istovremenog pražnjenja cilindra od izduvnih gasova i punjenja svežim radnim medijumom, kod motora kod koga se smeša pravi van cilindra u posebnom uređaju, jedan deo te smeše pobegne u izduvnik. To ima za posledicu povećanje potrošnje goriva i povećanje hidrokarbonata u izduvnim gasovima. Kod motora sa unutrašnjim stvaranjem smeše (direktno ubrizgavanje) se postotak zaostalih produkata sagorevanja u ukupnom punjenju cilindra može menjati u prilično širokim granicama 3.4. PODMAZIVANJE MOTORA Dvotaktni motori uglavnom imaju jednostavne sisteme za podmazivanje kod kojih je gorivo pomešano sa mazivom i tako stiže do svih pokretnih delova motora, zbog čeka ovi motori mogu raditi u svim položajima bez opasnosti da će motor zaribati. Međitim ovi motori koriste cilindre čije kanale klip ne zatvara u potpunosti. Tako deo maziva iz rama motora dospe do komore za sagorevanje gde sagori. Radi ovog su sprovedena mnoga istraživanja u cilju smanjenja sagorevanja maziva kod dvotaktnih motora. Kod savremenih dvotaktnih motora se najčešće koristi ubrizgavanje maziva. 13

4.

ALTERNATIVNA GORIVA I KONCEPCIJA NOVIH GENERACIJA MOTORA ZA POGON VOZILA

Ukupni tehnološki razvoj poslednjih decenija usmeren je, pored ostalog, na rešavanje dva krupna, globalna problema: zaštitu okoline i očuvanje prirodnih resursa. Ovo se u velikom stepenu odražava i na drumski saobraćaj, odnosno industriju motornih vozila. Ekologija se, međutim, ne odnosi samo na očuvanje okoline, već i na racionalno korišćenje energije. Pažnja se u tom okviru usmerava na sve moguće alternative, počev od solarne i drugih oblika energije, do korišćenja alkohola, biogoriva, prirodnog gasa i vodonika. Danas postoji globalni ekološki pokret koji postaje sve jači iz dana u dan. On propagira trend ekološki prihvatljivih (″environmentally friendly″) vozila na svetskom tržištu. Ova vozila igraju važnu ulogu u prevenciji globalnog zagrevanja i smanjenju zagađenja izazvana azotovim oksidima i čestičnom emisijom, ali i vibracije i buku kao posebne vidove zagađenja čovekove sredine, posebno prisutne u urbanim oblastima. Inženjeri u svom životnom opredeljenju ni jednim svojim proizvodom ne smeju ugrožavati ni genetske ni biološke osnove zdravog života. Globalno razmišljanje, ali lokalno delovanje, je pravilo ekološkog ponašanja za sve. Kod vozila se godinama pojavljuje kao krajnji cilj vozilo nulte emisije (ZEV -Zero Emission Vehicle) iako se zna da ne postoji ni jedan ljudski proizvod koji ne utiče na svoju okolinu. Tek nedavno je uvedena nova ciljna emisija za vozila: NZEV-Near ZEV tj. blizu minimuma i EZEVekvivalentno minimalnoj emisiji. Mobilnost i ekološku sigurnost uspešno mogu da objedine jedino vozila napravljena u punoj saglanosti sa zakonima prirode. 4.1. ALTERNATIVNA GORIVA Tokom vremena tečna naftna goriva su u tolikoj meri ušla u svakodnevnicu da se sve ostale vrste goriva nazivaju ˝alternativnim˝. Kvalitet motornih goriva se direktno preslikava u sastav izduvnih gasova motora sus (slika 1). Zadovoljenje strogih zakonskih propisa, koji se stavljaju pred motore i vozila, je moguće samo sprezanjem razvoja automobilske i naftne industrije.

Poboljšanje emisije izborom i usavršavanjem motornog goriva Primenom goriva koja sadrže manje ugljenika, u motorima sus, smanjuje se ukupna emisija ugljen-dioksida, a u dizel motorima se smanjuje emisija čestica. U alternativna goriva za vozila spada, pre svega, prirodni gas (komprimovani - CNG i tečni - LNG), zatim, tečni nafti gas (TNG), etanol, metanol, biodizel i vodonik, kao i električna struja. O vodoniku, koji se dobija elektrolizom pod uslovom da je primarna energija nefosilnog porekla (vetar, solarna, hidroenergija, itd.), za sada se govori kao o gorivu budućnosti. Veći broj ovih goriva se značajno razlikuje od konvencionalnih automobilskih goriva, pa njihovo korišćenje, uglavnom, zahteva značajne izmene na motoru i sistemu napajanja. 14

Ključni faktori krajnjeg uspeha primene alternativnih goriva su, pre svega, cena goriva, mogućnost razvoja i širenja mreže pumpnih stanica, a zatim i performanse i sigurnost vozila na alternativni pogon. Ne postoji univerzalna formula za definisanje "idealnog" goriva. Za opis najbolje varijante goriva moraju se znati konstruktivne specifičnosti vozila, motora i njihove opreme, a onda i vrlo kompleksni uslovi namene. Gasovita goriva su najbliža primeni u motorima sus jer se sagorevanje odvija u gasnoj fazi. Gasovi su dobra goriva za konvencionalne oto motore: smeša je visokog oktanskog kvaliteta, pa je sagorevanje potpuno, rad motora ekonomičniji, a zagađenje manje. Prirodni gas, kao i tečni naftni gas, može da sagoreva veoma ˝čisto˝ i zato predstavlja vrlo atraktivno gorivo u javnom saobraćaju urbanih sredina, čiji su učesnici taksi vozila, autobusi i razna dostavna vozila. Koristi se kao gorivo i kod oto i kod dizel motora. Vodonik predstavlja privlačnu alternativu za tečna naftna goriva. Predstavlja najjednostavniji i najobimniji element na Zemlji. Vodonik predstavlja čisto gorivo, kako sa gledišta sastava tako i sa gledišta zagađenja. Veliki broj problema, međutim, onemogućavaju danas uvođenje vodonika u primenu. Ne postoji još uvek industijski postupak za dobijanje dovoljnih količina vodonika sa cenom koja bi bila jednaka ili niža od cene odgovarajućih fosilnih goriva i skladištenje vodonika složeno i skupo. Od naročitog značaja za dobijanje vodonika u budućnosti je korišćenje obnovljivih izvora energije, pre svega sunčeve energije. Na taj način, postupak dobijanja vodonika bi bio potpuno ekološki. 4.2. HIBRIDNI POGON Iako je prelazak na vodonik prilično izvestan, ovo je proces koji će se odvijati decenijama. Međutim, već danas građani razvijenog sveta pred sobom imaju složeniju dilemu nego prilikom svoje prošle kupovine vozila. Između ostalog, oni mogu da se opredele i za vozilo sa hibridnim pogonom koji je podjednako agilno kao konvencionalne verzije ali je pohvalno ekonomičnije od njih i obilluje naprednim funkcijama koje život mogu učiniti lepšim. Za poslednjih 10 godina, ovakva vozila su izašla iz tržišne senke i velikim koracima povećavaju svoje prisustvo na ulicama koje je, ruku na srce, još uvek prilično skromno. Ipak, činjenica da hibridna tehnologija nadograđuje konvencionalnu koncepciju najavljuje njihovu ekspanziju i u narednim decenijama. No, šta zapravo stoji iza ovog naziva? Definicija Hibridni sistem predstavlja pogon koji u sebi objedinjuje dva ili više raznorodna motora koji rade u sadejstvu. Kako to znači više motora na jednom vozilu (viša cena, veća masa, manje mesta za koristan teret...), postavlja se logično pitanje za što bi to neko uopšte i radio? Dobar deo odgovara leži u spisku zahteva koji se danas postavlja pred inženjere. Naime, u svetu savremenih vozila razvojni timovi izloženi su sve većim pritiscima da se izduvni gasovi učine manje štetnim po životnu okolinu. Kako su katalizatori uspeli da 99% štetnih materija otklone iz gasova koji napuštaju izduvne cevi, pažnja zakonodavaca usmerena je na ugljendioksid koji je uzrok nezgodnog globalnog otopljavanja. Ugljendioksid, međutim, nije kao ostale štetne materije proizvod nepotpunog sagorevanja fosilnih goriva, on je, zapravo, direktan produkt potpunog sagorevanja. Iz ove činjenice sledi jednostavan zaključak – njegovo je oslobađanje moguće smanjiti jedino smanjivanjem potrošnje goriva. Znači, osnovni zadatak hibridizacije je da potrošnju energije koja se koristi na pogon smanji ispod granica ekonomičnosti konvencionalnih motora. Hibridni sistemi Praktičan razvoj zasnivao se na kombinovanju motora SUS, elektromotora i hidrauličnih motora. Ipak, usled prodora koji su načinjeni na polju elektromobila, a posebno na terenu tehnologija regulacije rada sistema, hibridi tipa motor SUS/elektromotor dospeli su u središte razvojne pažnje. Ovakvi sistemi upošljavaju jedan ili oba motora istovremeno, a sve u zavisnosti od potreba za pogonom (brzina kretanja, ukupna težina vozila, uspon puta, zadato ubrzanje...). Hibridna arhitektura otvara mnoge interesantne mogućnosti poput stanikreni funkcije ili regenerativnog kočenja, no nisu ni svi hibridi jednaki među sobom. 15

Slabi i jaki hibridi Pre svega treba razlikovati Slabe hibride, koji nisu u stanju da se kreću bez rada motora SUS od Jakih koji to jesu. Izraz «slab» se odnosi ponajviše na elektromotor koji nije dovoljno jak da samostalno pokreće vozilo, a potom i na baterije koje nisu dvoljno velikog kapaciteta da omoguće njegovo napajanje. No, i unutar porodice Slabih hibrida možemo napraviti podelu na niskonaponske i visokonaponske u zavisnosti od napona koje koriste njihove elektrokomponente. Generalno, viši napon podiže snagu motora i efikasnost regenerativnog punjenja, pa visokonaponski hibridi imaju višu ekonomičnost. Kako sistemi Jakih hibrida poseduju sposobnost čistog elektropogona, ovo dodatno podiže ekonomičnost i ekologičnost vozila, pa Jaki hibridi imaju osetno manju potrošnju i čistije izduvne gasove od Slabih. Recimo i da se Slabi hibridi nazivaju još i Blagima (Mild) dok se za Jake može koristiti i izraz Pun (Full) hibrid. Na performanse pogona značajno utiče gradnja sistema. Danas, preovlađuju tri osnovna tipa: serijski, paralelni i kombinovani sistemi. 1. Serijski sistem – Kod serijskog sistema tok snage od motora SUS do točkova je linijski. Naime, motor SUS pogoni generator koji proizvodi električnu struju. Ovako stvorena struja se potom šalje u akumulatorske baterije i odatle služi za pogon elektromotora koji pokreće točkove. Šta se time dobija? Kao prvo, motor SUS nije direktno vezan za točkove pa može većinu vremena komotno da radi u relativno ustaljenom režimu pri kom se sagorevanje unutar njega odvija vrlo efikasno. Nema brzih i čestih oscilacija njegovih brojeva obrtaja i opterećenja kao što je to slučaj kada je on jedini motor na vozilu. Direktan rezultat ovoga jeste snižavanje potrošnje goriva i emisije štetnih materija, produžavanje servisnih intervala i radnog veka motora. Pored toga, motor može biti manji jer on ne diktira maksimalnu vučnu silu na točkovima, to radi elektromotor. Mana serijskog sistema jeste njegova potreba za korišćenjem velikih i teških baterija jer su one jedini neposredni izvor energije za pogon točkova. Neophodnost smeštaja ovakvih masivnih komponenti negativno se odražava na performanse vozila, njegovu upravljivost ali i smanjuje koristan prostor. Pored svega, pretvaranje mehaničke energije u električnu, pa zatim pretvaranje električne u mehaničku uzima ceh u povećanim gubicima, pa potorošnja i usled ovog raste smanjujući pozitivne efekte primene hibridne koncepcije. 2. Paralelni sistem – U paralelnom sistemu, točkove pokreću i motor SUS i elektromotor i odnos njihovih snaga može biti različit u skladu sa trenutnim zahtevima. Ovde se baterije pune kada to uslovi vožnje dozvole i elekromotor pređe u gene ratorski režim rada. Ovo je ujeno i prednos i mana paralelnog sistema. Prednost jer se jedna komponenta koristi u više namena (jednostavan sistem), a mana jer punjenje baterija nije moguće kada elektromotor pokreće točkove. Sa druge strane, rad motora SUS takođe nije više nezavisan od uslova vožnje, te se u odnosu na serijski sistem povećava količina oslobođenih štetnih gasova, naročito tokom zagrevanja motora. 3. Kombinovani sistem – U pravcu otklanjanja nedostataka serijske i paralene gradnje, razvijeni su kombinovani sistemi. Kao i serijski sistemi, oni imaju motor SUS, elektromotor i generator ali oba motora svoju snagu isporučuju na pogonsko vratilo. U zavisonsti od zahteva vožnje, koristi se samo elektoromotor, ili zajedno motor SUS i elektoromotor radi postizanja najvišeg nivoa efikasnosti. Pored toga, ukoliko je to neophodno, elektromotor može da pogoni točkove u isto vreme dok generator puni baterije, što je bio nedostatak paralenih sistema. Ova sposobnost donosi postizanje veoma niske emisije štetnih gasova kroz pružanje optimalnih uslova rada motoru SUS. U isto vreme, baterije ne moraju biti velike, pa otpadaju i mane serijskog tipa. Na kraju, istovremenim pogonom oba motora, kombinovani hibridni sistemi pokazuju odlične performanse pogona.

16

Modovi rada Puna hibridizacija (jaki hibridi) svoje prednosti u odnosu na konvencionalne sisteme postiže kroz 4 osnovna mehanizma: 1. na malim opterećenjima uključujući pra zan hod, motor SUS se isključuje i vozilo pokreće isključivo elektromotor. U ovom režimu rada, hibridno vozilo se ponaša kao elektromobil; 2. upotrebom napredne transmisije sa kontinualnom promenom prenosnog odnosa omogućava da motor SUS radi u zoni najvišeg komfora. Promene opterećenja menjač kompezuje promenom prenosnog odnosa, te motor ne menja svoj režim rada; 3. kako elektromotor priskače u pomoć motoru SUS uvek kada mu je asistencija potrebna, moguća je upotreba motora visoke efikasnosti kod kojih se energija produkata sagorevanja potpunije koristi. Jedno od rešenja jeste primena motora produženog takta širenja. Ovo omogućava dodatno smanjivanje motora SUS za iste performanse pogona; 4. elektromotor može raditi i kao generator, pretvarajući kinetičku energiju u električnu – proces regenerativnog kočenja. Podsetimo, kod vozila klasične koncepcije prilikom kočenja kinetička energija vozila kroz trenje u kočnicama se prevodi u toplotu i praktično baca u okolinu. Zahvaljujući svojim mogučnostima, hibridi ovu energiju skladište u akumulatorskim baterijama i potom koriste za pogon elektromotora ili nekih drugih uređaja na vozilu.

5.

LITERATURA

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Two-stroke_cycle 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_combustion_engine 3. http://www.howstuffworks.com/two-stroke.htm 4. http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html 5. www.kataloglinkova.com/forum/ 6. http://www.elitemadzone.org/t74520-cetvorotaktni-motori 7. http://solair.eunet.yu/~vsteta/motori.htm 8. http://auto.web1000.com/ 9. http://www.bhtuning.com/showthread.php?tid=356 10. http://vrelegume.co.yu/forum/viewtopic.php?t=4967 11. http://www.volkswagen.co.yu/sve_o_volkswagen_u/inovacije/motori/tsi/tsi/ 12. Dragana Sudarević, Ana Kozić, „Uticaj alternativnih goriva u motorima sus na očuvanje životne sredine”, 2005 13. Predrag Đukić, „Osnove hibridizacije”

17

SADRŽAJ:

Uvod...................................................................................................................................................1 Definicija motora SUS..................................................................................................................................1 Istorijat SUS motora......................................................................................................................................2 Motori sa unutrašnjim sagorevanjem...........................................................................................................2

Četvototaktni motori SUS......................................................................................................................................3 Osnove.............................................................................................................................................................3 Sagorevanje....................................................................................................................................................4 Princip rada četvorotaktnih motora..............................................................................................................5 Zapremina.......................................................................................................................................................5

Dvotaktni motori SUS.......................................................................................................................7 Primena...........................................................................................................................................................7 Dvotaktni DIESEL motori............................................................................................................................7 Dvotaktni OTTO motori...............................................................................................................................8 Podmazivanje motora....................................................................................................................................9

Alternativna goriva i koncepcija novih generacija motora za pogon vozila..........10 Alternativna goriva.........................................................................................................................................10 Hibridni pogon................................................................................................................................................11

Literatura.......................................................................................................................................13 Sadržaj.............................................................................................................................................14

18