DVOTAKTNI MOTOR ZA POGON OSOBNOG AUTOMOBILA? · Dvocilindarski dvotaktni Dieselov Yamaha prikazan je na slici 4. Značajke su mu: motor s komorom i obrnutim ispiranjem, radni volumen

Dvotaktni motor za pogon osobnog automobila? (Meinig; MTZ 7-8, 9, 10, 11 / 2001; Von Schnurbein, Eilts; MTZ 7,8/1999) Mahalec, I.: MOTORI 2004.01.25.

1

DVOTAKTNI MOTOR ZA POGON OSOBNOG AUTOMOBILA? Usprkos stabilnog položaja na tržištu, kao pogonskih strojeva za male radne strojeve i motocikle, za vozila za snijeg, ultra lake letjelice i motorne čamce, kao i za velike teretne brodove, dvotaktni motori za pogon automobila su potpuno iščezli. Na ovom području već više puta predskazivana renesansa, za početak 1990-ih godina, u potpunosti je izostala. Dvotaktni motor ima, kao i četverotaktni, preko sto godina dugu tradiciju. Veliki dvotaktni Dieselov motor s uzdužnim ispiranjem i s efektivnim stupnjem korisnosti od 53 % u najboljoj radnoj točki, u potpunosti je zavladao pogonom velikih brodova. S druge strane, dvotaktni Ottov motor kao pogonski stroj također vlada područjem malih radnih strojeva poput lančanih motornih pila. I na relativno velikom tržištu izvanbrodskih motora, pogona vozila za snijeg i sl., položaj dvotaktnih motora je gotovo nedodirljiv. Iako je u Njemačkoj sredinom 1950-ih godina udio dvotaktnih motora za pogon osobnih automobila iznosio oko 20 %, danas su automobili s dvotaktnim motorima praktički nestali sa svih tržišta svijeta. Pod utjecajem aktivnosti i objavljenih rezultata u tvrtkama Toyota, Subaru i Orbital, početkom 1990-ih dvotaktnom je motoru bila najavljivana svijetla budućnost. Međutim, te se prognoze nisu obistinile zbog tehničkih problema koji nisu bili riješeni na zadovoljavajući način, a prije svega zbog sve strožih i strožih propisa o dopuštenoj štetnoj emisiji automobila u SAD-u i Europi.

1. NAČINI ISPIRANJA CILINDRA Najprepoznatljivija značajka dvotaktnih motora, osim vrste procesa (Ottov ili Dieselov) je svakako način ispiranja cilindra. Odabirom načina ispiranja u najvećoj je mjeri određena složenost konstrukcije, opterećenje elemenata motora, uvjeti stvaranja gorive smjese, potrošnja goriva i štetna emisija te ponašanje motora u pogonu. Pregled najvažnijih načina ispiranja prikazan je u tablici 1.

2. KOMPRESORI ZA ISPIRANJE CILINDRA Kućište koljenastog vratila i donja strana klipa su samo vrlo loš kompresor. Zbog toga, za punjenje i ispiranje cilindra, 2T-motori visokog stupnja korisnosti moraju imati poseban kompresor. Izvedbe kompresora prikazane su na slici 1.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Slika 1. Kompresori za punjenje cilindra: a) rotacijski krilni kompresor, b) Rootov kompresor, c) Ro-kompresor, d) vijčani kompresor, e) spiralni kompresor (G-kompresor), f) turbopunjač.


2

Tablica 1. Načini ispiranja cilindra: prednosti i nedostaci.

Način ispiranja Prednosti Nedostaci

Obrnuto ispiranje

• kompaktne ugradbene dimenzije

• moguće visoke brzine vrtnje

• prostor izgaranja može biti u glavi motora, gdje se može dobro hladiti

• jednostavna konstrukcija (ako se odustane od zasuna u usisnom i ispušnom kanalu)

• nesimetričan razvodni dijagram se može dobiti samo pomoću dodatnih uređaja (zasuna)

• nesimetrično toplinsko opterećenje klipa

• klipne karike se mogu slomiti na bridovima širokih prestrujnih i ispušnih kanala

• teško je proizvesti vrtlog svježeg punjenja u cilindru

Istosmjerno ispiranje ispušnim ventilima

• dobar stupanj korisnosti ispiranja

• vrtlog u cilindru se može lako proizvesti i kontrolirati

• postupak izgaranja se u velikoj mjeri može preuzeti od 4T-motora

• asimetrični razvodni dijagram moguć bez dodatnih uređaja

• velika visina u usporedbi s dužinom

• potreban zahtjevan ventilski mehanizam da bi djelotvoran put klipa bio velik a potrošnja goriva niska (na raspolaganju je mali kut KV; BV se vrti brzo kao i KV)

Istosmjerno ispiranje kod protuklipnog motora

• minimiziranje toplinski jako opterećenih površina u visokotlačnom dijelu procesa

• nesimetričan razvodni dijagram

• dobar stupanj korisnosti ispiranja, dovoljan mali pretičak zraka

• komplicirana konstrukcija

• velika ugradbena visina (širina)

• ekstremno visoko toplinsko opterećenje klipa koji otvara i zatvara ispušne kanale

• zbog ograničenja u pogledu smještaja brizgaljke, ne može se primijeniti uobičajeni postupak izgaranja

Obrnuto ispiranje usisnim i ispušnim ventilima

• konstrukcija vrlo slična 4T-motoru

• nema opasnosti po klipne karike zbog kanala na cilindru

• nizak stupanj korisnosti ispiranja

• veliki zahtjevi na dobavu zraka za ispiranje

• zbog malog kuta (KV) otvorenosti usisnog ventila, veliki porast rada izmjene radnoga medija i uslijed toga porast potrošnje goriva kod viših brzina vrtnje

• ne može se primijeniti postupak izgaranja koji je uobičajen kod 4T-DI-motora


3

3. DVOTAKTNI DIESELOVI MOTORI

Slika 2. Dvotaktni Dieselov motor s uzdužnim ispiranjem pomoću usisnih kanala i ispušnih ventila.

Dvotaktni Dieselov motor nema tradiciju kao pogonski stroj osobnog automobila. Ipak, u Njemačkoj su sve do sredine 60-ih godina dvotaktni Dieselovi motori primjenjivali kao mali stabilni motori i motori za pogon traktora tegljača (Lanz, Hanomag, Fichtel & Sachs, ILO, Stiehl, O & K, Hirth) i za pogon kamiona (Krupp, Ford). Nasuprot tome, dok u Americi dvotaktni Dieselovi motori proizvodnje Detroit Diesel, GM i EMD i dalje imaju značajan, iako opadajući udio kao pogonski motori lokomotiva i autobusa, u Europi su takvi motori praktički nestali s tržišta.

Značajne posebnosti Dieselova procesa, u odnosu na Ottov, su:

• znatno niža najveća brzina vrtnje, uslijed ograničenja što ih postavlja kratko vrijeme koje stoji na raspolaganju za stvaranje gorive smjese

• sveukupno manja toplinska opterećenja elemenata motora zbog nužnog pretička zraka.

Imajući ovo u vidu, kao i opravdano očekivane relativno male razvojne probleme pri prenošenju postojećih znanja s područja četverotaktnih Dieselovih motora na dvotaktne, pojedine su se tvrtke (DC, VW, AVL, Yamaha, Daihatsu) 1990-ih godina prihvatile razvoja dvotaktnog Dieselovog motora za pogon osobnog automobila.

Značajna razlika dvotaktnog motora, u odnosu na četverotaktni, je jedan radni ciklus po svakom okretaju koljenastog vratila. Zbog toga se odstranjivanje ispušnih plinova iz cilindra mora obaviti istovremeno s punjenjem cilindra svježim radnim medijem, u okolici DMT. Kako se dakle istiskivanje sagorjelih plinova ne može obaviti kretanjem klipa, to za stvaranje


4

razlike tlaka potrebne za izmjenu radnoga medija1 dvotaktni motor mora imati poseban kompresor, odnosno puhalo. Kao kompresor u najjednostavnijem slučaju služi donja strana klipa i kućište radilice, a kod zahtjevnijih konstrukcija je to poseban kompresor koji može biti klipni ili rotorni (radijalni krilni, vijčani, kompresor s okretnim klipom ili centrifugalni kompresor).

Još jedna važna značajka dvotaktnog motora jest ta što je za vrijeme otvorenosti ispušnog kanala/ventila cilindar spojen s okolnom atmosferom. Zbog toga kompresija u cilindru može započeti tak nakon što se zatvori ispušni kanal/ventil, i to s početnim tlakom koji je reda veličine atmosferskog tlaka. To znači da će smanjenje dovođenja svježeg radnog punjenja imati za posljedicu veću količinu ispušnih plinova koji će ostati u cilindru od prethodnog procesa (unutarnji povrat ispušnih plinova u proces). To opet utječe na visokotlačni dio procesa izgaranja, na potrošnju goriva, na temperaturu i na štetnu emisiju ispušnih plinova. Promatra li se to drugačije, povećanjem količine zraka za ispiranje (povećanjem tlaka ispiranja) može se u realnim granicama po volji mijenjati količina zaostalih ispušnih plinova u cilindru na kraju ispiranja.

Slika 3. Trocilindarski dvotaktni Dieselov motor AVL, radnog volumena 1.0 l

Trocilindarski dvotaktni Dieselov AVL (stanje razvoja 1997.) prikazan je na slici 3. Gorivo se ubrizgava izravno u cilindar, radni volumen je 1.0 dm3, nazivna snaga iznosi 47 kW kod 3500 min-1, a najveći moment 165 Nm kod 1700 min-1. Uzdužno ispiranje izvedeno je pomoću usisnih kanala u bloku i 4 ispušna ventila po cilindru, dok zrak za ispiranje dobavlja turbokompresor kojega pogoni turbina na ispušne plinove. Da bi se osiguralo dovoljno zraka u cijelom radnom području motora, turbokompresor je spojen u seriju s kompresorom s okretnim klipom, kojega poly-V-remenom pogoni koljenasto vratilo motora. U bloku motora od SL su zrcalno simetrično smješteni kanali za ispiranje s različitim kutom uspona, koji se napajaju iz vrlo velikih spremnika stlačenoga zraka na bočnim stranama bloka. Da bi se osiguralo intenzivno hlađenje, plašt rashladne tekućine dopire još daleko ispod kanala za ispiranje, a u klipu je poseban rashladni kanal. Ležaj osovinice klipa se podmazuje uljem koje se pod pritiskom dovodi uzdužnim provrtom kroz klipnjaču. Dva bregasta vratila pokreću ventile pomoću poluklackalica s kotačićem. Utezima na bregastim vratilima (ona se vrte

1 Izmjena radnoga medija kod dvotaktnog se motora naziva ispiranjem cilindra, a podrazumijeva istovremeno

pražnjenje cilindra od ispušnih plinova i punjenje svježim radnim medijem. Za vrijeme istovremene otvorenosti ispušnih i usisnih kanala/ventila, svježe punjenje istiskuje ispušne plinove iz cilindra.


5

istom brzinom kao i koljenasto) postignuto je dobro uravnoteživanje sila inercije 1. reda. Jednodijelno koljenasto vratilo okreće se u kliznim ležajevima.

Slika 4. Dvocilindarski dvotaktni Dieselov motor Yamaha, radnog volumena 1.0 l

Dvocilindarski dvotaktni Dieselov Yamaha prikazan je na slici 4. Značajke su mu: motor s komorom i obrnutim ispiranjem, radni volumen 1.0 dm3, snaga 33 kW kod 4000 min-1, moment 80 Nm kod 2500 min-1, masa 95 kg. Motor je predviđen za ugradnju u osobni automobil s potrošnjom goriva ispod 3 l/100 km, a trebao bi zadovoljavati propise Euro 4. Kućište radilice je od Al-legure a cilindri su prevučeni slojem N-P-SiC. Svaki cilindar ima po četiri prestrujna kanala te po dva ispušna kanala smještena jedan iznad drugog. Gornji ispušni kanal se može zatvoriti zaklopkom u ispušnoj cijevi, radi povećanja zakretnog momenta. Time se kompresijski omjer za vrijeme rada motora mijenja u rasponu od 13:1 do 18:1. Razloge za primjenu postupka s komorom treba tražiti u tome što se kod obrnutog ispiranja prestujnim kanalima ne može postići dovoljan vrtlog zraka u cilindru, kakav je potreban za dobro izgaranje kod izravnog ubrizgavanja goriva u cilindar. Izlaz iz komore vodi kroz četiri tangencijalno usmjerena kanala kojima se u cilindru stvara izrazito vrtložno strujanje, čime se postiže potpuno izgaranje te mala potrošnja goriva i niska štetna emisija ispušnih plinova.

Slika 5. Trocilindarski dvotaktni Dieselov motor Daihatsu, radnog volumena 1.0 l

Trocilindarski dvotaktni Dieselov Daihatsu vrlo je sličan AVL-ovom motoru. Namijenjen je ugradnji u osobni automobil koji bi trebao imati potrošnju goriva ispod 3 l/100 km. Tvornica je prikazala motor po prvi puta na izložbi automobila IAA u Frankfurtu 1999.


6

godine. Motor s uzdužnim ispiranjem cilindra, opremljen uređajem za ubrizgavanje goriva Common Rail, ima snagu od 45 kW kod 3500 min-1 i moment od 155 Nm kod 2200 min-1. U odgovarajućem vozilu, motor je prema tadašnjim najavama trebao zadovoljiti granične vrijednosti štetne emisije ne samo prema propisima Euro 3 nego i Euro 4.

3.1. DIESELOVI AUTOMOBILSKI MOTORI: DVOTAKTNI ILI ČETVEROTAKTNI? ZA DVOTAKTNE: • Dvaput veća frekvencija radnih procesa, iz čega proizlazi manji ugradbeni volumen i

manja masa (kg/kW). • Dvaput veća frekvencija radnih procesa ima za posljedicu znatno ujednačeniji okretni

moment motora, već od najnižih brzina vrtnje. Odavde proizlaze značajne prednosti u dinamici vožnje i udobnosti, kao i potencijalne prednosti u pogledu smanjenja potrošnje goriva i ugradbenog volumena na temelju smanjenja broja cilindara i smanjenja brzine vrtnje praznoga hoda motora.

• Kod niskih brzina vrtnje okretni je moment približno dvostruko veći, uslijed dvaput veće frekvencija radnih procesa. Time se kod smanjivanja dimenzija motora ("downsizing") omogućuje lakše pokretanje vozila s mjesta, kao i primjena prijenosnika snage s malim prijenosnom omjerima čime se postiže niža potrošnja goriva.

• Manja količina zraka za ispiranje cilindra i manja masa dvotaktnog motora za istu snagu rezultiraju bržim zagrijavanjem motora nakon hladnoga starta (zagrijavanje putničke kabine vozila je brže, gubitci trenja su manji). Veće temperature ispušnih plinova ali manji maseni protok pružaju znatno bolje uvjete za pročišćavanje u katalizatoru (više temperature kemijskih reakcija, manje brzine strujanja).

• Uslijed dvaput veće frekvencije radnih procesa vršni tlakovi u cilindru su kod iste snage motora znatno niži nego kod visokonabijenih četverotaktnih Dieselovih motora, pa su i mehanička opterećenja klipnoga mehanizma znatno niža. Zbog toga on i kućište motora mogu biti laganiji.

• Uslijed dvaput veće frekvencije radnih procesa hladni start motora je znatno lakši. • Uslijed dvaput veće frekvencije radnih procesa srednji efektivni tlak je upola manji za

istu specifičnu snagu (kW/dm3). Uslijed toga su temperature i tlakovi u cilindru niži pa se, uz lako ostvarivi veliki udio zaostalih ispušnih plinova u cilindru, smanjuje sirova emisija NOx, posebno kod smanjenog opterećenja, a i buka je niža.

• Bregasto vratilo se vrti istom brzinom kao i koljenasto, pa se može iskoristiti za uravnoteživanje sila inercije oscilirajućih masa prvoga reda i njihovih momenata. To je od posebne prednosti kod motora s malim brojem cilindara.

PROTIV DVOTAKTNIH: • Za punjenje cilindra je potreban poseban kompresor, jer je tlak u cilindru tijekom

cijelog procesa veći od atmosferskog. Na taj se kompresor postavljaju visoki zahtjevi s obzirom na fleksibilnost dobave, stupanj korisnosti, ugradbene dimenzije, pouzdanost, akustiku i cijenu. Donja strana klipa i kućište koljenastog vratila su vrlo loš kompresor, s velikim nedostacima u pogledu količine dobave i upravljanja njome, u pogledu hlađenja klipa te podmazivanja ležajeva i samog uležištenja klipnog mehanizma.

• Dvotaktni je motor, zbog dvostruke frekvencije radnih procesa i veće gustoće snage, toplinski i tribološki jače opterećen, što kod projektiranja zahtijeva vrlo pažljivu analizu konstrukcije klipnog mehanizma.


7

• Cilindarski blok i kućište koljenastog vratila su vrlo složenog oblika, zbog prestrujnih i ispušnih kanala. S druge strane se na ventilski mehanizam također postavljaju visoki zahtjevi zbog dvostruko veće frekvencije i kraćeg vremena (kuta koljenastog vratila) otvorenosti ventila.

• Usisni i ispušni kanali na cilindru predstavljaju veliki nedostatak u pogledu opterećenja klipnih karika i potrošnje ulja.

• Za izmjenu radnoga medija stoji na raspolaganju ograničeni kut zakreta koljenastoga vratila u blizini DMT. Zbog toga sve organe za tu izmjenu treba definirati vrlo pažljivo, da bi rad izmjene radnoga medija ostao u prihvatljivim granicama. Pozitivna petlja izmjene radnoga medija kod dvotaktnih se motora ne može ostvariti u mjeri koja bi bila usporediva s onom kod četverotaktnih nabijenih motora.

3.2. RAZVOJNI ZADACI I IZGLEDI DVOTAKTNIH DIESELOVIH MOTORA Na putu ka stupnju razvoja usporedivom s četverotaktnim motorima, pred dvotaktnim Dieselovim motorom stoje raznovrsni zadaci. Pritom će biti nužno napustiti tradicionalnu predodžbu o jednostavnom i jeftinom stroju koji ima samo tri pokretna dijela. Jedno od težišta razvoja dvotaktnog Dieselovog motora za pogon osobnog automobila biti će u velikoj mjeri određeno odabranim načinom izmjene radnoga medija. Kod uzdužnog ispiranja cilindra, koje najviše obećava u pogledu visoke snage i niske specifične potrošnje goriva, težište će biti na razvoju ventilskog mehanizma i ostalih komponenata koje uz minimalne zahtjeve održavanja, nisku cijenu u velikoserijskoj proizvodnji te uz maksimalno iskorištenje hoda klipa daju najveći mogući vremenski presjek za protok radnoga medija. Sljedeće će težište biti na dovoljno izdržljivom i trajnom sklopu cilindar-klip. Pritom će posebnu pozornost zahtijevati klipne karike, smanjivanje potrošnje ulja i djelotvorno hlađenje klipa, cilindra i glave cilindra. Kod motora s obrnutim ispiranjem ovi će problemi biti još izraženiji, zbog nesimetričnog toplinskog opterećenja. Jedno od daljnjih težišta će biti razvoj puhala, odnosno kompresora za ispiranje i nabijanje, čija se količina dobave kod optimalnog stupnja korisnosti može prilagođavati potrebama zraka motora. Iako se još nalazi u fazi razvoja, u tom pogledu prilično obećava turbopunjač s promjenljivom geometrijom turbine i električnim pomoćnim pogonom. Razvoj dvotaktnog Dieselovog motora zasigurno će biti olakšan primjenom novih sustava razvijenih za četverotaktne motore, kao što su Common-Rail i elektronički sustavi za upravljanje radom motora, a također će uvelike biti od koristi nova saznanja o optimiranju procesa izgaranja, o novim materijalima i tehnološkim postupcima, kao i razvijene metode za računalne simulacije.

Znatne prednosti koje dvotaktni Dieselov motor nudi, trebaju za uspješan nastup na tržištu biti popraćene visokom pouzdanošću, malom potrošnjom ulja, niskom štetnom emisijom i velikom udobnošću, koje se mogu mjeriti s visokim standardima koji su u tom pogledu postavljeni kod četverotaktnih Dieselovih turbomotora. Rezultati koje su postigle tvrtke AVL, Yamaha i Daihatsu pokazuju da je to moguće.

4. DVOTAKTNI OTTOVI MOTORI Za razliku od dvotaktnog Dieselovog motora, Ottov dvotaktni motor kao pogonski stroj osobnog automobila ima dugu tradiciju. Već je 1879. g. Carl Benz pokušavao primijeniti dvotaktni motor za pogon automobila. Te iste godine je G. Eriksson izradio prvi švedski automobil, pogonjen dvotaktnim motorom. Već su početkom dvadesetog stoljeća brojni proizvođači izrađivali automobile koje su pokretali dvotaktni motori. Iz tog mnoštva su se dvadesetih godina prošloga stoljeća razvile poznate tvrtke za proizvodnju automobila s


8

dvotaktnim motorima: DKW, Aero, Jawa i Češka Zbrojovka (ČZ). Tako je DKW, polazeći od dvocilindarskog motora od 584 cm3 i 11 kW, 1937. godine proizveo dvotaktni V-4-cilindarski motor koji je iz 1054 cm3 razvijao snagu od 24 kW, slika 6. DKW-ovi inženjeri su već tada spoznali da je kućište radilice s donjom stranom klipa vrlo loš kompresor za punjenje cilindra2, pa su za svaki red cilindara konstruirali po jedan klipni kompresor. Nakon Drugog svjetskog rata, želja za masovnim motoriziranjem je opet dovela do procvata proizvodnje automobila s dvotaktnim Ottovim motorima, posebno u Njemačkoj. Osim DKW-a, proizvodili su ih Lloyd, Goliath (slika 7.), Gutbroad i Glas i njihov udio na tržištu Zapadne Njemačke je 1950-ih godina iznosio 20 %. U Istočnoj Njemačkoj je pak zahvaljujući administrativnoj zaštiti domaće industrije proizvodnja automobila s dvotaktnim motorima obustavljena tek početkom 1990-ih, a Wartburg i Trabant su na domaćem tržištu držali udio od preko 60 %. Svi su ovi motori koristili kućište radilice kao kompresor za punjenje cilindra, imali su razvod kanalima i obrnuto ispiranje, a kao gorivo se upotrebljavala mješavina benzina i ulja. Koncepcijski, ti se motori nisu razlikovali od onih iz 1930-ih godina. Malobrojni izuzetci u 1960-ima bili su razvod pomoću rotirajućeg diska (Trabant, Jawa 90, Maico), dodavanje ulja posebnom pumpom izravno u usisni kanal (DKW, Jawa) i ubrizgavanje benzina izravno u cilindar te odvojeno podmazivanje (Gutbrod i Goliath, slika 7.). Zbog velike cijene, motori s uređajima za ubrizgavanje se nisu održali na tržištu, iako je s pomoću njih značajno smanjena za dvotaktne motore tipična, velika potrošnja goriva3. Oni preostali su pojavu strogih propisa o čistoći ispušnih plinova dočekali potpuno nespremni: usis kroz karter donosio je u cilindar kapljice mazivog ulja koje su preko svake mjere povećavale emisiju neizgorjelih CH u ispuhu.

Slika 6. Četverocilindarski dvotaktni Ottov V-motor DKW iz 1937. godine, s dva posebna dvoradna klipna kompresora, po jednim za svaki red cilindara.

2 Nekoliko decenija kasnije to će dovesti do nestanka dvotaktnih motora za pogon automobila. 3 Kod dvotaktnog Ottovog motora dio svježe usisane smjese pobjegne u ispuh za vrijeme ispiranja cilindra.

Zajedno s kapljicama mazivog ulja u smjesi, to povećava emisiju CH koja se primjećuje kao karakterističan smrad koji ostaje iza takvog vozila.


9

Slika 7. Dvocilindarski dvotaktni Ottov motor Goliath, s izravnim ubrizgavanjem benzina iz 1950-ih godina. Radni volumen 700 cm3. Zahvaljujući primjeni ubrizgavanja, snaga motora je porasla za 14 % a potrošnja je značajno opala u cijelom radnom području.

Slika 8. Proces u cilindru dvotaktnog motora s usisom u kućište radilice i razvodom pomoću kanala i klipa. Oznake: A – ispuh (njem. Auslass); oT – gornja mrtva točka (oberer Totpunkt); Aö – ispuh otvara (Auslass öffnet); As – ispuh zatvara (Auslass schließt); Ü – prestrujni kanal zatvara (Überstromkanal schließt); E – usis (Einlass); Üö – prestrujni kanal otvara (Überstromkanal öffnet); Eö – usisni kanal otvara (Einlass öffnet); Üs – prestrujni kanal zatvara (Überstromkanal schließt); Es – usisni kanal zatvara (Einlass schließt); Zz – točka paljenja (Zündzeitpunkt).

Značajna osobitost dvotaktnog motora, u odnosu na četverotaktni, je po jedan radni proces u svakom okretaju koljenastog vratila, zbog čega se istiskivanje ispušnih plinova iz cilindra i punjenje svježim radnim medijem treba obaviti istovremeno, u vrlo kratkom vremenu u okolici DMT, slika 8. Kod novijih koncepcija usisom u karter ne upravlja više samo brid klipa, nego se primjenjuju i jednosmjerni membranski ventili, čime se postiže veći i ujednačeniji stupanj punjenja cilindra. Nasuprot četverotaktnim motorima s promjenom snage


10

prigušivanjem usisa, kod dvotaktnih motora s kompresijom svježeg punjenja u karteru, rad izmjene radnog medija se sa smanjivanjem opterećenja smanjuje. Razlog tome je taj što mala količina svježeg punjenja istiskuje samo malu količinu izgorjelih plinova dok veći dio ostaje u cilindru. Taj veliki udio izgorjelih plinova povećava temperaturu u cilindru i poboljšava isparavanje goriva, ali s druge strane otežava izgaranje smjese. Ako se u blizini svjećice ne stvori smjesa pogodna za upaljivanje, do upaljivanja neće ni doći. U narednim procesima u cilindar dolazi nova smjese i nje se nakuplja a temperatura joj raste, pa odjednom izgori sve i to vrlo naglo. Zbog ovog izostajanja paljenja, kod smanjenog opterećenja i u praznom hodu rad motora je nemiran i nepravilan. To se kod motora opremljenih modernim elektronički reguliranim uređajima za ubrizgavanje rješava isprekidanim ubrizgavanjem, tako da motor radi “četverotaktnim” ili čak “šesterotaktnim” načinom.

Slika 9. Uređaj (Synerject) za ubrizgavanje goriva pomoću stlačenog zraka, kod dvotaktnog Ottovog motora. Oznake: 1- spremnik goriva; 2 – filter za gorivo; 3 – pumpa za gorivo; 4 – regulator tlaka goriva; 5 – ventil za ubrizgavanje goriva; 6 – dotok zraka; 7 – injektor za zraka; 8 –svjećica; 9 – bobina; 10 – uređaj za paljenje; 11 – računalo za upravljanje radom motora; 12 – spremnik ulja; 13 – kompresor za zrak; 14 – osjetnik položaja koljenastog vratila; 15 – potenciometar položaja zaklopke za snagu; 16 – kućište zaklopke za snagu; 17 – uljna pumpa; 18 – kućište pročistača zraka; 19 – pročistač zraka; 20 – osjetnik tlaka okoliša; 21 – glavni električni prekidač; 22 – akumulator; Ansaugluft – usisavani zrak; Kraftstoffleitung – vod goriva; Druckluftleitung – vod stlačenoga zraka; Ölleitung – uljovod; Abgas – ispušni plinovi; el. Leitung – električni vod. Stlačeni zrak poboljšava raspršivanje goriva i njegovo miješanje sa zrakom u cilindru.


11

4.1. STANJE RAZVOJA DVOTAKTNIH OTTOVIH MOTORA Zahvaljujući maloj težini i ugradbenom volumenu, jednostavnosti održavanja, mehaničkoj robusnosti i jeftinoći, dvotaktni Ottovi motori dominiraju kao izvanbrodski motori, kod pogona saonica, malih motocikala i malih radnih strojeva. Postrožavanje propisa o dopuštenoj štetnoj emisiji dovelo je do značajnih poboljšanja. Tu prije svega valja ubrojiti primjenu oksidacijskog katalizatora uz primjenu optimiranog obrnutog ispiranja i siromašnije smjese, kao i elektronički regulirano izravno ubrizgavanje goriva u cilindar kod izvanbrodskih i motora motocikala. Vodeće tvrtke su Subaru, Toyota i Orbital, koje su dvotaktni Ottov motor ponovno gurnule u prvi plan mogućih strojeva za pogon automobila.

Svi motori prikazani u nastavku, imaju obrnuto ispiranje. Orbitalov, i motor Veleučilišta u Zwickau komprimiraju svježi radni medij u karteru, a motor tvrtke Irmscher ima poseban kompresor i usprkos obrnutog ispiranja jednodijelno koljenasto vratilo i podmazivanje pod tlakom.

Slika 10. Trocilindarski dvotaktni Ottov motor tvornice Orbital.

Trocilindarski dvotaktni Ottov motor tvornice Orbital ima radni volumen od 1.2 dm3, nazivnu snagu 58 kW kod 4500 min-1, najveći moment 130 Nm kod 3500 min-1, masu od 85 kg. Motor je predviđen za ugradnju u osobno vozilo za indonezijsko tržište. Prema izjavama proizvođača, motor s lakoćom zadovoljava razinu štetne emisije Euro 3 tijekom 80,000 km. Ležajevi radilice i cilindar podmazuje svježim uljem elektronički upravljana pumpa. Pritom se omjer (ulje : gorivo) kreće u granicama od (1 : 50) do (1 : 200). Posebnost motora je ubrizgavanje goriva pomoću stlačenog zraka.


12

Slika 11. Trocilindarski dvotaktni Ottov motor tvornice Orbital.

Slika 12. Ottov dvotaktni dvocilindarski motor tvrtke Irmscher.

Ottov dvotaktni motor tvrtke Irmscher. Radni volumen 90 cm3, snaga 7 kW kod 9,000 min-1. Dvoradni klip kompresora zraka za ispiranje smješten je na donjoj strani motora i ne dodiruje cilindar. Pogon dobiva od koljenastog vratila putem klipnjače i zabrtvljene klipne motke (stapajice). Zbog kliznih ležajeva i jednodijelnog koljenastog vratila rad motora može biti tiši a trajnost klipnog mehanizma veća. Budući da zrak za izgaranje ne prolazi kroz karter, on smije biti ispunjen uljnom maglom koja nastaje razbacivanjem ulja što istječe iz ležajeva. U odnosu na podmazivanje s dodavanjem ulja gorivu, ovakva konstrukcija, s podmazivanjem pod tlakom kao kod 4-taktnih motora, pruža prednosti male potrošnje ulja i s tim povezane niske štetne emisije HC. Prema zamišljenom konceptu pogona vozila za koji je namijenjen, motor s konstantnom brzinom vrtnje od 9,000 min-1 pogoni sinkroni generator, s kojim je


13

izravno spojen, a električna energija se pohranjuje u bateriju NiCd, nazivnog napona 400 V i kapacitete 40 Ah / 12 kWh. Tom se energijom napajaju dva pogonska asinkrona motora snage po 10 kW, na prednjoj osovini. Motori podnose kratkotrajno preopterećenje i pritom razvijaju okretni moment od 400 Nm po kotaču. Odabrani koncept omogućuje da vozilo s uključenim motorom do ponovnog punjenja gorivom prevali približno istu udaljenost kao i kod uobičajenog pogona. Ako je Ottov motor isključen, pogon vozila preuzima samo električni motor koji se napaja iz električne baterije, pa tada nema nikakve štetne emisije. U tom slučaju vozilo može prevaliti udaljenost od 120 do 140 km.

Ottov dvotaktni motor Veleučilišta u Zwickau. Radni volumen je 200 cm3, gorivo se ubrizgava izravno u cilindar, snaga iznosi 10 kW kod 7,000 min-1, masa je 8 kg a hlađenje je tekućinom, slika 13. Namjena motora je također hibridni pogon vozila, na gotovo identičan način kao i kod motora Irmscher. Proizvedena energija troši se na pogon električnog generatora (10 kW na koljenastom vratilu motora pretvara se na taj način u 6.5 kW električne snage) i pohranjuje u električnu bateriju sastavljenu od 72 NiCd ćelije, ili se izravno troši na pogon istosmjernog električnog pogonskog motora za vožnju, snage 20 kW kod 1600 do 5000 min-1. Pokusno vozilo sagrađeno je na osnovi automobila Citroën Saxo i namijenjeno je prvenstveno za gradsku vožnju. Svrha benzinskog motora je dopunjavanje električne baterije za vrijeme vožnje, da bi se povećala udaljenost koju vozilo može prijeći između dva punjenja baterije iz električne mreže. Na ovaj su način zadržane prednosti električnog pogona (tihi rad, snažno ubrzavanje u gradskoj vožnji, nema mjenjača brzina) i velika autonomija vozila, karakteristična za pogon motorom s unutarnjim izgaranjem. Masa vozila je 1050 kg, najveća brzina je 100 km/h a raspoloživost iznosi 340 km. Kod vožnje po standardnom ciklusu, emisija CO2 je smanjena na 60 g/km4, što je jedna trećina emisije koju ima automobil sa serijskim četverotaktnim benzinskim motorom. Prosječna potrošnja goriva pritom iznosi 2.4 l/100 km.

Slika 13. Ottov dvotaktni dvocilindarski bokser motor Veleučilišta u Zwickau. Za vrijeme vožnje vozilom, motor, koji je dio hibridnog pogonskog agregata, radi u dvije radne točke: u području najmanje specifične potrošnje goriva (be)min ili u području praznoga hoda (Leerlauf).

4 Prema neslužbenom međunarodnom dogovoru, emisija CO2 od 90 g/km usvojena je kao granična za “3-

litarski automobil” pogonjen motorom s unutarnjim izgaranjem.


14

Slika 14. Shema vozila i njegovog hibridnog pogona. Motor s unutarnjim izgaranjem smješten je ispod stražnjeg sjedala. Snaga elektromotora od 20 kW dovoljna je za dinamičnu vožnju u uvjetima gradskog prometa u Parizu.

4.1. OTTOVI AUTOMOBILSKI MOTORI: DVOTAKTNI ILI ČETVEROTAKTNI? ZA DVOTAKTNE: • Dvaput veća frekvencija radnih procesa, iz čega proizlazi upola manji srednji efektivni

tlak (kao mjera opterećenosti motora). To omogućuje načelno laganiju konstrukciju, manju jediničnu masu (kg/kW) i manji ugradbeni volumen (dm3/kW).

• Uslijed dvaput veće frekvencije radnih procesa, i upola manjeg srednjeg efektivnog tlaka, može se uz ionako veći sadržaj zaostalih ispušnih plinova u cilindru kod djelomičnog opterećenja, postići relativno niža emisija NOx.

• Dvaput veća frekvencija radnih procesa ima za posljedicu relativno visok i ujednačen okretni moment motora, već i kod niskih brzina vrtnje. Time se već s malim brojem cilindara omogućuje visoka brzina vožnje uz niske brzine vrtnje motora, što u konačnici daje nižu potrošnju goriva.

• Masa usisavanoga zraka se može varirati u relativno širokim granicama u velikom dijelu radnoga područja motora, čime se u načelu omogućuje manji rad izmjene radnoga medija i brže zagrijavanje hladnoga motora, a također se može smanjiti bespotrebno ohlađivanje motora pri malom opterećenju te pri gibanju vozila uslijed inercije.

PROTIV DVOTAKTNIH: • Uslijed dvaput veće frekvencije radnih procesa i veće gustoće snage (kW/dm3)

dvotaktnih Ottovih motora proizlazi i veće toplinsko opterećenje cilindra, klipa i ležaja osovinice klipa, naročito kod razvoda klipom i kanalima u cilindarskom bloku.

• Dvotaktni princip zahtijeva poseban kompresor za punjenje cilindra, jer je tlak u cilindru za čitavo vrijeme trajanja procesa veći od atmosferskog. Na taj se kompresor postavljaju visoki zahtjevi. Primjena donje strane klipa i kućišta radilice u tu svrhu ima velike nedostatke s obzirom na hlađenje klipa, uležištenje klipnog mehanizma i podmazivanje tih ležajeva.


15

• Zbog istovremenog pražnjenja cilindra od ispušnih plinova i punjenja svježim radni medijem, kod motora s vanjskim stvaranjem gorive smjese (izvan cilindra), jedan dio te smjese pobjegne u ispuh. To ima za posljedicu povećanje potrošnje goriva i povećanje sadržaja HC u ispušnim plinovima, a postavlja i dodatne ograde u pogledu sastava punjenja u cilindru, tj. omjera svježeg punjenja i zaostalih produkata izgaranja. Kod motora s unutarnjim stvaranjem gorive smjese (s izravnim ubrizgavanjem) se udio zaostalih produkata izgaranja u ukupnom punjenju cilindra, u području djelomičnoga opterećenja, može mijenjati u prilično širokim granicama.

4.2 RAZVOJNI ZADACI I IZGLEDI RVOTAKTNIH OTTOVIH MOTORA Veliki broj dvotaktnih Ottovih motora, koji se proizvode za pogon čamaca, motocikala i malih radnih strojeva, dosegao je danas vrlo visoki stupanj razvoja. Međutim, stalno postrožavanje dopuštenih granica štetne emisije automobilskih motora, neprekidno povećavanje udobnosti i smanjivanje razine buke kao i razlike u radnom volumenu, onemogućuju izravno prenošenje na dvotaktne motore iskustava stečenih na četverotaktnim. Zbog toga će u razvoj dvotaktnih motora trebati uložiti još mnogo truda, da bi se otklonili njihovi nedostaci. Pritom će svakako trebati umjesto kućišta radilice primijeniti poseban kompresor za punjenje cilindra, pogotovo ako se zadrži obrnuto ispiranje koje bi iz kartera u cilindar vuklo i mazivo ulje te tako povećavalo emisiju HC. Što se tiče pripreme gorive smjese, najviše obećava sustav ubrizgavanje goriva pomoću stlačenog zraka. On međutim još troši dosta snage a i cijena mu je velika. Iskustva s pripremom smjese i proćiščavanjem ispušnih plinova kod četverotaktnih motora zasigurno će olakšati rješavanje ovih problema kod dvotaktnih. Male dimenzije i mala težina također su dobri preduvjeti za primjenu dvotaktnog Ottovog motora u hibridnim pogonskim sustavima, što bi omogućilo štedljivije trošenje neobnovljivih oblika energije.

5. MEININGOV ZAKLJUČAK Osnovni preduvjet za uspješnu primjenu sustava za pogon osobnog automobila koji bi trebali biti alternativa 4T-motoru, kao što je 2T-motor, ali i gorivne ćelije, Stirlingov ili parni motor, je obećavajuće smanjenje potrošnje goriva od barem 15 %, niža štetna emisija i pouzdanost usporediva s pouzdanošću 4T-motora. Realno je očekivati da se 2T-motorom ovi ciljevi mogu dostići, imajući u vidu njegovu malu jediničnu masu (kg/kW), brzo zagrijavanje nakon hladnoga starta, mogućnost smanjenja broja cilindara, povoljnu krivulju okretnog momenta i s tim u vezi manje prijenosne omjere u prijenosniku snage, kao i mogućnost primjene kod hibridnih pogonskih sustava. Međutim, za uspješnu primjenu 2T-motora za pogon osobnog automobila nužno je dostizanje stupnja razvoja koji se može mjeriti sa stupnjem razvoja 4T-motora. Pritom će trebati sretna ruka pri izboru razvojnog koncepta u smislu zadovoljavanja postavljenih uvjeta s jedne strane te inteligentne jednostavnosti s druge strane. To će pak uvelike ovisiti o razvojnim resursima, koje jedna da mogu same iznijeti pojedine razvojne skupine ili instituti. Budućnost 2T-motora u osobnom automobilu počiva dakle na temeljnom pitanju da li će se neki proizvođač automobila, na osnovi svojih istraživanja i obećavajućeg prototipa, odlučiti upustiti u razvoj motora za serijsku proizvodnju. Dogodi li se to, dvotaktni će se motor zasigurno veoma udaljiti od svog početnog ograničenja sa samo tri pokretna dijela, koji su mu u prošlosti i omogućili brzo proboj u raznim područjima primjene. Dvotaktni motor budućnosti treba gledati kao zahtjevan razvojni zadatak, nimalo lak za inženjera, koji u sebi uključuje veliku slobodu u izmjeni radnoga medija i velika toplinska opterećenja motora.


16

6. JEDAN DRUGI POGLED: BRODSKI MOTORI Dopuniti prema referenciji br. [7.].

LITERATURA [1.] Meinig, U.: Standortbestimmung des Zweitaktmotors als Pkw-Antrieb, Teil 1:Zweitaktdieselmotor. MTZ 7-

8/2001, 564-568. [2.] Meinig, U.: Standortbestimmung des Zweitaktmotors als Pkw-Antrieb, Teil 2: Zweitaktdieselmotor. MTZ

9/2001, 668-676. [3.] Meinig, U.: Standortbestimmung des Zweitaktmotors als Pkw-Antrieb, Teil 3: Zweitaktottomotor. MTZ

10/2001, 836-844. [4.] Meinig, U.: Standortbestimmung des Zweitaktmotors als Pkw-Antrieb, Teil 4: Zweitaktottomotor. MTZ

11/2001, 924-932. [5.] Stan, C., Personnaz, J.: Hybridantriebskonzept für Stadtwagen auf Basis eines kompakten Zweitaktmotors

mit Ottodirekteinspritzung. ATZ 2/2000, 119-127. [6.] Zweitakt-Benzineinspritzung bei Gutbrod und Goliath. MTZ 10/1952, 252-255. [7.] Von Schnurbein, E., Eilts, P.: Gibt es zu den heutigen Großdieselmotoren eine Alternative?, MTZ

7,8/1999, 444-451.

Documents

DVOTAKTNI MOTOR ZA POGON OSOBNOG AUTOMOBILA? · Dvocilindarski dvotaktni Dieselov Yamaha prikazan je na slici 4. Značajke su mu: motor s komorom i obrnutim ispiranjem, radni volumen