4T_2T_motori

3. Četverotaktni i dvotaktni Ottovi i Dieselovi motori III-1 Mahalec, Lulić, Kozarac: Motori s unutarnjim izgaranjem (2013-10-14)

03_MSUI_4T_2T_motori.doc

3. ČETVEROTAKTNI I DVOTAKTNI OTTOVI I DIESELOVI MOTORI

RADNI PROCES

Svi klipni motori, pa i oni rotacijski poput WANKELova, imaju radni proces koji se sastoji od četiri uvijek ista dijela što slijede jedan iza drugoga. To su :

1. USIS svježih radnih plinova 2. KOMPRESIJA radnih plinova 3. izgaranje i EKSPANZIJA 4. ISPUH tj. izbacivanje istrošenih radnih plinova.

Ukupno trajanje procesa izražava se pomoću zakreta glavnog vratila motora tj. koljenastog vratila ili radilice. Trajanje procesa iznosi:

● 2 okretaja koljenastog vratila - kod četverotaktnih motora

● 1 okretaj koljenastog vratila - kod dvotaktnih motora.

TAKT je definiran kao jedno kretanje klipa od jednog do drugog krajnjeg položaja, odnosno od gornje mrtve točke (GMT) do donje mrtve točke (DMT) ili obratno, što odgovara zakretu koljenastog vratila od 180°.

Osnovne geometrijske veličine prikazane su na slici 3.1. Radni volumen cilindra (VH) je volumen kojega opiše klip pri gibanju od GMT do DMT i jednak je razlici najvećeg (Vmax) i najmanjeg volumena (Vmin). Najmanji volumen naziva se i kompresijskim volumenom (VK). Omjer najvećeg i najmanjeg volumena cilindra je kompresijski omjer ().

Slika 3.1. Radni volumen cilindra i kompresijski omjer

ČETVEROTAKTNI MOTOR (4T) ima četiri takta koji se nazivaju: 1. usis 2. kompresija 3. ekspanzija 4. ispuh.

● U taktu USISA klip se kreće od GMT prema DMT, u cilindru nastaje podtlak koji kroz otvoreni usisni ventil uvlači svježe radne plinove – smjesu goriva i zraka ili samo zrak. Ona se u cilindru miješa s produktima izgaranja zaostalim od prethodnog procesa.

D - promjer cilindra H - hod klipa r - polumjer osnog koljena koljenastog vratila

HV minmax

2

4VVH

D

(3.1)

Kmin VV

1ε

εKmax

HH VVVV

εK

K

min

max

V

VV

V

V H (3.2)



● U taktu KOMPRESIJE klip se kreće prema GMT i komprimira plinove u cilindru te im raste tlak i temperatura. Nešto prije GMT započinje izgaranje (točka IP na slici 3.4.) i traje do iza GMT (točka IK). Za to se vrijeme klip nalazi u okolici GMT pa samo izgaranje i nije takt. ● U taktu EKSPANZIJE uslijed topline dovedene izgaranjem goriva plinovima u cilindru raste temperatura, a zbog toga i tlak. Plinovi ekspandiraju i pritom pomiču klip koji posredstvom osovinice i klipnjače okreće koljenasto vratilo. Na taj se način kemijska energija goriva pretvara u toplinu a potom u mehanički rad na koljenastom vratilu. ● U taktu ISPUHA klip se kreće od DMT prema GMT i pritom kroz otvoreni ispušni ventil istiskuje plinove iz cilindra. Ovisno o napunjenosti cilindra, omjer tlakova ispred i iza ispušnog ventila na početku ispuha može biti nadkritičan pa dobar dio plinova iscuri iz cilindra uslijed razlike tlaka.

Slika 3.2. Četiri takta u OTTOvom motoru: usis, kompresija, ekspanzija, ispuh.

Iz termodinamike je poznato da za postizanje visokog stupnja korisnog djelovanja treba biti što veća temperatura ogrjevnog spremnika i što niža temperatura rashladnog spremnika. U klipnim motorima ova postavka dovodi do visokih tlakova i visokih temperatura u cilindru. Oni ne bi bili mogući bez dobrog brtvljenja kojeg omogućavaju klipni prsteni i ventili. Dva takta, usis i ispuh, služe samo za izmjenu radnih plinova i beskorisni su za proizvodnju rada.

cilindarski blokkućište radilice

klackalica

opruga ventila

ventil

klipni prstenovi

osovinica klipaklip

klipnjača

čep za ispust ulja

karterili donji dio kućišta radilice

koljenasto vratiloili radilica

bregasto vratilo

podizač ventila

šipka podizačaventila

svjećica

glava motora

postolje klackalica

osovina klackalica


klackalica

opruga ventila

ventil

klipni prstenovi

osovinica klipaklip

klipnjača

čep za ispust ulja



bregasto vratilo

podizač ventila


svjećica

glava motora

postolje klackalica

osovina klackalica


klackalica

opruga ventila

ventil

klipni prstenovi

osovinica klipaklip

klipnjača

čep za ispust ulja



bregasto vratilo

podizač ventila


svjećica

glava motora

postolje klackalica

osovina klackalica

Slika 3.3. Poprečni presjek četverotaktnog OTTOvog motora: skica i stvarna izvedba.



Kada se koljenasto vratilo četverotaktnog motora u jednom radnom procesu okrene za dva okretaja, ono načini 4 takta: 4 takta = 4 × 180° = 720° = 2 okretaja. Međutim, u toku jednog radnog procesa usisni i ispušni ventil na cilindru trebaju se otvoriti i zatvoriti samo po jedanput. Zbog toga se bregasto vratilo koje pokreće ventile, vrti upola sporije (/2) od koljenastog ().

Dijagram koji prikazuje promjenu tlaka u cilindru motora u ovisnosti o kutu zakreta koljenastog vratila (slika 3.4.), naziva se indikatorskim dijagramom. On se može snimiti pomoću posebnog uređaja, indikatora, a može se i izračunati pomoću odgovarajućeg matematičkog modela. U dijagramu se vidi da i usis (od točke UO do UZ) i ispuh (od IO do IZ) traju duže od 180°KV, odnosno duže od jednog strogo definiranog takta.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 180 360 540 720°KV

Tla

k u

cili

nd

ru p

i, M

Pa

usis kompresija ekspanzija ispuh

0

5

10

0 180 360 540 720°KV

Podi

zaj v

entil

a , m

m

Slika 3.4. Lijevo: indikatorski dijagram 4T-motora. Oznake: UO, UZ – usisni ventil otvara / zatvara; IO, IZ – ispušni ventil otvara / zatvara; IP, IK – izgaranje početak / kraj. Desno: razvijeni indikatorski dijagram (gore) i podizaj ventila (dolje).

DVOTAKTNI MOTOR. U dvotaktnom se motoru ispuh i usis odvijaju istovremeno, u donjem dijelu cilindra tj. u okolici DMT, pa cijeli radni proces traje samo jedan okretaj koljenastog vratila, odnosno dva takta. Prema tome, broj procesa je pri istoj brzini vrtnje dvaput veći nego kod četverotaktnog motora. Kod malih Ottovih motora se radni plinovi razvode pomoću usisnih i ispušnih kanala u kućištu motora i klipa, a kod velikih Dieselovih pomoću usisnih kanala i ispušnih ventila. Proces izmjene radnih plinova u cilindru dvotaktnog motora naziva se ispiranjem.

Slika 3.5. Mali dvotaktni OTTOv motor s tri razvodna kanala. Donja strana klipa i kućište koljenastog vratila služe kao pumpa za usisavanje svježe smjese kroz usisni kanal 1. Prestrujnim kanalom 2 svježa smjesa ulazi u cilindar, dok istovremeno kroz ispušni kanal 3 istječu ispušni plinovi. Ispušni se kanal otvara prije prestrujnog tako da najprije započne ispuh (vidi sliku 3.6.)



UO

UZIZ

IO

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10

Relativni volumen V / V K

Tla

k u

cilin

dru

, M

Pa

Slika 3.6. Indikatorski dijagram 2T-motora. Oznake: IO, IZ – usisni kanal otvara / zatvara; UO, UZ – usisni kanal na cilindru otvara / zatvara (usis u cilindar, odgovara kanalu 2 na slici 3.5.).

PRIMJENA I PREPOZNATLJIVOSTI

Ottovi motori malih snaga su većinom dvotaktni. To su npr. motori za pogon ručnih kosilica, motornih pila, malih poljoprivrednih strojeva, mopeda, izvanbrodski motori i sl. Motori većih snaga, poput onih za pogon osobnih automobila i aviona su uvijek četverotaktni. Razlog tome je taj što je za dobru prodaju malih motora važno da budu jeftini, što se može postići ako motor ima malo dijelova, a upravo takav je jednostavan dvotaktni motor. Kod većih motora je naprotiv važnija niska potrošnja goriva, a tu je opet u prednosti četverotaktni motor. Jednostavna konstrukcija kod dvotaktnih motora ima za posljedicu velike emisije štetnih sastojaka u ispušnim plinovima. Zbog toga se od početka 1980-ih njihov udio smanjuje i na onim segmetima tržišta na kojima su dotada suvereno vladali, poput malih motocikala i izvanbrodskih motora. Najveća brzina vrtnje klipnih motora iznosi 24.000 min-1 a postizali su je u 60-im godinama prošloga stoljeća Hondini trkači motocikli pogonjeni dvocilindarskim četverotaktnim motorima ukupnog radnog volumena 50 cm3.

Dieselovi motori troše manje goriva od Ottovih, ali su kompliciraniji i skuplji. Svi pogonski strojevi teretnih vozila, autobusa i lokomotiva su većinom četverotatktni Dieselovi motori, ali ima i dvotaktnih. Najveći i najekonomičniji su veliki brodski sporohodni dvotaktni motori koji se vrte ispod 100 min-1. Njihov promjer cilindra je do 1 m, hod klipa preko 3 m, snaga po cilindru premašuje 5 MW, a masa im prelazi 2.000 t. S ukupnim stupnjem djelovanja koji dostiže 53 %, sporohodni dvotaktni Dieselovi motori najekonomičniji su od svih toplinskih strojeva za transformaciju kemijske energije sadržane u fosilnim gorivima u mehanički rad.

Ottovi motori imaju u cilindarsku glavu ugrađene svjećice. Na njihovim elektrodama preskače električna iskra i pali gorivu smjesu u cilindru. Kod motora malih radnih strojeva te kod automobilskih motora proizvedenih otprilike do 1990. godine, goriva smjesa se priprema pomoću rasplinjača. Noviji automobilski motori imaju uređaje za ubrizgavanje benzina.

Dieselovi motori za ubrizgavanje goriva u cilindar imaju visokotlačnu pumpu i brizgaljke ugrađene u cilindarsku glavu. Za olakšavanje hladnog starta imaju posebne električne grijače (žarnice ili žarne svjećice) koji su također ugrađeni u glavu. Najnoviji uređaji za ubrizgavanje goriva, Common Rail, u skoroj bi se budućnosti mogli primjenjivati i kod benzinskih Ottovih motora za pogon automobila pa će prepoznavanje biti prilično otežano.

Mali dvotaktni motori imaju nisku cilindarsku glavu za razliku od četverotaktnih čija je glava u pravilu visoka jer se u njoj nalaze ventili. Međutim, četverotaktni motori sa stojećim ventilima (ventili se nalaze u bloku) imaju također nisku glavu pa ih je teže razlikovati od dvotaktnih.

Documents

4T_2T_motori