Izgaranje u dizelskom motoru

ZAVRNI RAD

IZGARANJE KOD MOTORA SUI

Dino Juk i

Spl i t , srpanj 2011.

2

SADRAJ

1 . U V OD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 . OS NO V A D I ZEL S KO G I ZGA R A NJ A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 . U TJ EC A JN E VELI INE U PR O CESU I ZGA RA N JA I

ME UO VIS NOST ZN A A J KI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 . 1 . Pr im arn e v e l i i n e p r o ces a i z ga r an j a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 . 2 . S ek un da r n e v e l i in e p ro ce s a i z ga r an j a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 . PROCES I ZGA R A NJ A D I ZEL SKO G MOTO RA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

4 . 1 . Zak a n j en je up a l j i v a n j a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

4 .2 . N ek on t r o l i r an o i z ga r an j e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

4 .3 . Ko n t ro l i r an o i z ga r an je . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

4 .4 . Do go r i j ev an j e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4 .5 . T emp e r a t u ra t l ak a u c i l i n d r u p r i l i k om i z ga r an ja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 .6 . M j er e z a sm an j en j e t e tn e emi s i j e N Ox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5 . O PT IMAL NO IZGA R A N JE ZA OD R E EN I MO TOR . . . . . . . . . . . . . . . 23

5 . 1 . T opl in a o s lo bo en a i z ga r an j em. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5 . 2 . V ib e -o v a fu nkc i j a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5 . 3 . A n a l i z a r adn og c i k lu s a b ro ds ko g m ot o r a M A N B&W 6 S7 0 MC u

s v rh u op t imi r an j a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6 . ZA KL J U A K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0

LIT ER AT U RA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3

1 . UVOD

Rastua briga o izvorima energije i okoliu je poveala zanimanje za pretvorbu energije u

strojevima i pogonskim postrojenjima. U nekim sluajevima, ta tema je dovela do ozbiljnih

rasprava i razmatranja u Zapadnom, industrijaliziranom svijetu. U meuvremenu, znatan dio

inenjera i znanstvenika ulae velike napore da pobolja pretvorbu energije u radnim strojevima

sa ciljem da se emisija tetnih plinova smanji na minimum.

Dizelski motori zbog svoje energetske iskoristivosti postali su popularni na raznim

podrujima. Odjel za energiju financira i podrava razne projekte koji imaju tendenciju

razvijanja dizelskih motora. Zahtjevi za malim dizelskim motorima su popularni u Europskim

zemljama, gdje su ljudi vie ekoloki osvijeteni.

Dizelski motori imaju odlinu reputaciju zbog male potronje goriva, pouzdanosti i

izdrljivosti. Poznati su i po malim emisijama ugljikovim-dioksidom i ugljikovim-monoksidom.

Budui da su performanse, potronja goriva, emisija ispunih plinova, rezultati procesa izgaranja,

nuno je prvo razumjeti sve procese i mehanizme izgaranja u dizelskom motora da bi smo ih

mogli poboljati. Izgaranje kod dizelskog motora je veoma sloeno i njegovi detaljni mehanizmi

i danas nam u potpunosti nisu poznati. Ta sloenost postaje izazov istraiteljima usprkos

modernim alatima kao to su kamere za vrlo brzo snimanje, snana raunala i mnogi

matematiki modeli za opisivanje izgaranja kod dizelskog motora.

4

2. OSNOVA DIZELSKOG IZGARANJA

Osnovna misao izgaranja dizelskog motora je poseban nain oslobaanja kemijske

energije smjetene u gorivu. Za ostvarenje tog procesa, kisik mora biti dostupan gorivu u

odreenom omjeru da bi dolo do izgaranja.

Kod izgaranja u dizelskim motorima, gorivo se ubrizgava u motor pri kraju kompresijske

faze, upravo nekoliko stupnjeva koljenastog vratila prije gornje mrtve toke (GMT). Tekue

gorivo se obiajno ubrizgava velikom brzinom sa jednim ili vie mlazova kroz male otvore

ubrizgaa. Gorivo se razdvaja u male kapljice i ulazi u komoru izgaranja. Razdvojene kapljice

apsorbiraju toplinu od ugrijanog i komprimiranog zraka, isparavaju i mijeaju sa njim. Kako klip

dolazi do GMT, mjeavina (veinom zraka) dosee temperaturu samozapaljenja. Samozapaljenje

smjese nastupa nakon faze zakanjenja paljenja. Trenutno izgaranje nastupa nakon te faze.

Znaajan utjecaj u ovom procesu je faktor izgaranja , kojim se iskazuje omjer stvarne

koliine zraka za izgaranje 1kg goriva, naprema stehiometrijskoj koliini zraka potrebnoj za

izgaranje.

Slika 1.1. Faktor u radnom poruju dizelskog motora [1]

5

Slika 1.2. Omjer goriva i zraka u cilindru dizelskog motora [1]

Gornji dio slike pokazuje mlaz goriva s linijama konstantog omjera goriva i zraka ().

Kapljice u mlazu (krui sa strelicom) lete od ubrizgaa (B) prema rubu cilindra. Kod

upaljivanja goriva treba teiti smjesi koja lokalno ima = 0,6 ... 0,9. Smanjenje ispod 0,6 dovodi

do nedoputene koliine ae u ispuhu, a poveanje preko 0,9 (dakle prema siromanoj smjesi)

rezultira poveanjem NOx.

Donji dio slike pokazuje poetnu fazu gorenja u mlazu goriva pomijeanog sa zrakom.

Pojava jezgara gorenja je sluajnog karaktera.

6

Problem cijepanja molekula je taj to je u poetku brzina izgaranja bila velika, prema

kraju izgaranja sve vie opada, jer se sve tee molekule goriva se susreu sa molekulama kisika.

Cijepanje moe toliko uznapredovati da na kraju preostane samo teko upaljivi ugljik i neuspije

li ga se dobro izmijeati s kisikom, pomou snanog zranog vrtloga u cilindru, on izlazi

neizgoren s ispunim plinovima u obliku crne ae.

Slika 1.3. Brzina izgaranja mlaza ovisi o omjeru goriva i zraka u promatranom podruju [1]

7

3. UTJECAJNE VELIINE U PROCESU IZGARANJA I

MEUOVISNOST ZNAAJKI

3.1. Primarne veliine procesa izgaranja

U uvodnom dijelu jasno nam je da su primarni faktori kod procesa izgaranja:

komprimirani zrak

Usisani zrak kod etverotaktnih brzohodnih motora komprimira na priblino 30 do 55 bar

i pritom zagrijava na 700 do 800 C. Kompresijki omjer jednak je omjeru najveeg i najmanjeg

volumena cilindra.

D-promjer cilindra

H-hod klipa

r-polumjer osnog koljena koljenastog vratila

Radni volumen cilidra:

( 3 . 1 )

Najmanji volumen cilindra: = ( 3 . 2 )

Najvei volumen cilindra: = (3 .3 )

S l i ka 3 . 1 . 1 Radni,kompresijski i volumen cilidra [1]

8

=

=

= s tu p an j kom p res i j e ( 3 .4 )

to je vea temperatura u cilindru na kraju kompresije to bre isparava ubrizgano gorivo,

bre se pali, irenje plamena je bre pa je vea i brzina porasta tlaka. U naelu, termiki stupanj

djelovanja raste s porastom kompresijskog omjera.

Usporedba termikog stupnja djelovanja otovog i dizelskog motora u ovisnosti o stupnju

kompresije .

S l i ka 3 .1 .2 Temiki stupanj djelovanja u ovisnosti o kompresijskom omjeru [1]

Meutim, previsoki kompresijki omjer ima za posljedicu visoke tlakove u cilindru za

vrijeme kompresije, usljed ega naglo rastu gubici izazvani trenjem u motoru.

S poveanjem kompresijskog omjera poveava se tetna emisija duikovih oksida NOx i

ugljikovodika CH u ispuhu. Poveanjem kompresijskog omjera poboljava se rad motora sa

siromanom smijesom a upaljivanje goriva moe biti kasnije zbog breg izgaranja. To opet

smanjuje emisiju CH i NOx.

ubrizgano gorivo

Nakon to se gorivo ubrizga u prostor izgaranja, mlaz se raspada u kapljice. Uzrok je

tomu visoki tlak ubrizgavanja te time stvaranje turbulentnih vrtloga u mlazu goriva i njihovih

sudara s komprimiranim zrakom. Poeljno je da se mlaz goriva raspada u to vei broj im

9

manjih kapljica goriva. Time se poveava povrina u odnosu na masu ubrizganog goriva, a to

pospjeuje isparivanje. Budui da se u ovom procesu gorivo raspada u vrlo sitne kapljice, radi

jednostavnije analize, promatra se kapljica u obliku kuglice. Na smanjenje promjera kapljice

djelovat e poveani tlak ubrizgavanja goriva i to vei tlak zraka u cilindru. Isto tako, smanjeni

promjer sapnice djelovat e na smanjenje promjera kapljice.

Raspad kapljice u komprimiranom zraku mogue je prikazati na sljedei nain slika

3.1.3. Kapljica goriva sa svojim parcijalnim tlakom, putujui kroz komprimirani zrak podvrgnuta

je tlaku koji najprije deformira je kapljicu dok je potpuno ne prepolovi. Proces se na njenom putu

moe ponavljati vie puta.

Slika 3.1.3. Raspad kaplice goriva pri gibanju kroz komprimirani zrak [2]

Mlaz goriva koji ima malu turbulenciju dopire daleko u prostor izgaranja i raspruje se

vrlo slabo. Naprotiv, mlaz koji ima veliku turbulenciju ima krai domet i bolje rasprivanje.

Posljedica kraeg dometa je, da manje kapljice koje se izdvajaju iz mlaza imaju manju kinetiku

energiju. Za poboljanje stvaranja gorive smjese, esto se strujanje zraka u cilindru namjerno

poveava. To se postie spiralnim usisnim kanalom, ili tangencijalnim kanalom.

Na izgaranje u dizelskim motorima utjee zakanjenje paljenja. Zakanjenje paljenja je

vrijeme izmeu ubrizgavanja goriva i njegovog zapaljenja.

Zapaljenje nastupa na kraju zakanjenja paljenja istovremeno na vie mjesta u mlazu

goriva (jezgre zapaljenja) i brzo se iri po itavom mlazu goriva. Time raste temperatura tako

visoko da se kasnije ubrizgano gorivo praktiki zapali bez zakanjenja. Tijekom zakanjenja

paljenja u prostoru izgaranja nalazi se odreena koliina nezapaljenog goriva ije kapljice

isparavaju pod utjecajem vrueg zraka. U periodu zakanjenja paljenja dolazi do djelominog

izgaranja koje ne uzrokuje porast tlaka, jer se razvijena toplina troi na na zagrijavanje susjednih

10

kapljica. Meutim, ako zbog slabije sklonosti zapaljenju goriva dolazi do prevelikog zakanjenja

paljenja - vee od 0,002 sekunde, u prostoru izgaranja se stvorila tolika koliina goriva da

konano zapaljenje uzrokuje munjevito izgaranje smjese te udarno jako poveanje tlaka (tlani

valovi) tj. udaranje, to je onda popraeno velikom bukom.

Slika 3.1.1.4 Udaranje kod diesel motora [3]

Procesi za vrijeme zakanjenja paljenja su fizikalne i kemijske prirode, a vremenski se

preklapaju. Mogue mjere za rijeavanje fizkalnog problema su razliite izvedbe prostora

izgaranja za dobro mijeanje goriva i vrueg zraka, te vii tlak ispred sapnice ubrizgaa.

11

3.2. Sekundarne veliine procesa izgaranja

oblik usisnog kanala

Usisni i ispuni kanali smjeteni u cilindarsku glavu kod dizelskog etverotaktnog motora

imaju za cilj usisavanje istog zraka u cilindar i ispuhivanje ispunih plinova iz cilindra.

Uinkovitost ove izmjene tvari izravno utjee na bitne znaajke motora. Kod brzohodnih

dizelskih motora s izravnim ubrizgavanjem goriva, usisni kanal mora osigurati maksimalno

punjenje cilindra svjeim zrakom s minimalnim gubicima strujanja.

Osim toga, izvedba usisnog kanala kod motora s izravnim ubrizgavanjem goriva, nuno

treba osigurati vrtlog zraka u cilindru, kako bi dolo do boljeg mijeanja zraka s gorivom. S

termodinamikog stajalita kanali uzrokuju gubitke, a kod usisnog kanala tim vee to izazivaju

vei vrtlog zraka u cilindru. Ovi gubici izazvani razliitim tlakovima i brzinama u usisnom i

ispunom kanalu manifestiraju se izmjenom topline. Osim toga ovdje su prisutni i dinamiki

fenomeni koji se odnose na valno gibanje i inerciju. Na njih osobito djeluje duina i volumen

prikljunih cijevi (usisni i ispuni kolektor).

Kanal se moe oblikovati na dva naina: vrtloni (uzduna os kanala ima oblik spirale) i

tangecijalni kanal (os kanala je pravocrtna a ulazi cilindar pored osi ventila).

Slika 3.2.1. Vrtloni kanal [1] Slika 3.2.2. Tangecijalni kanal [1]

12

Kod obadva oblika usisavani zrak vrtlonim strujanjem ulazi u cilindar. Naime,

kompresijom u cilindru taj se zrani vrtlog ubrzava te zbog toga lako razbija mlazeve

ubrizgavanoga goriva. To pospjeuje mijeanje goriva i zraka, to je povoljno za izgaranje, jer je

kod dizelskog motora svaka kapljica je samostalni izvor zapaljenja pa je dobra izmijeanost sa

zrakom izvanredno vana za brzo i dobro izgaranje.

strujanje zraka u cilindru

U cilindru dizelskih motora dolazi do snanog strujanja usljed svijeeg punjenja zrakom i

to openito gledajui:

zbog smanjenog presjeka strujanja izmeu ventila i sjedita (posljedica toga je

naglo poveanje brzine strujanja)

zbog odreenog oblika usisnog kanala

zbog prostora za istiskivanje izmeu ela klipa i glave cilindra

Slika 3.2.3. Vrtlog zraka savija i razbija mlazove goriva u cilindru te pospjeuje stvaranje gorive

smijese [1]

13

Ova strujanja imaju oblik vrtloga i ona snano djeluju na tijek izgaranja u cilindru i to na

sljedee naine:

stvaranjem optimalne smijese goriva i zraka, raspuhujui mlazove goriva u

dizelskim motorima s izravnim ubrizgavanjem

stvaranjem slojevitog punjenja tj. odnoenjem slojeva isparenog goriva s toplih

stijenki prostora, zatim izgaranjem naizmjeninih slojeva zraka i isparenog goriva

kaotinim strujanjem u komori dizelskih motora (s podjeljenim prostorom

izgaranja)

Kod dizelskih motora s komorom, u cilidru nastaje intezivno strujanje usljed velike

brzine kojom radni medij iz komore istjee u glavni prostor izgaranja u cilindru. Oblik usisnog

kanala nema nikakvog utjecaja na to strujanje. Meutim, kod motora s izravnim ubrizgavanjem

jedinu mogunost stvaranja vrtloga u cilindru prua i usisni kanal, koji zbog toga mora imati

odgovarajui oblik.

oblik prostora izgaranja

Dva osnovna oblika prostora izgaranja su: podjeljeni prostor izgaranja i izravno

ubrizgavanje goriva u cilindar.

Kod motora s komorom (s podjeljenim prostorom izgaranja) gorivo se ubrizgava u

komoru i to relativno s niskim tlakom (450 bar) i u jednom mlazu, udara u posebno oblikovanu

plohu, raspruje se i intenzivno mijea sa zrakom. Goriva smjesa se pali, plinovi nastali

izgaranjem ekspandiraju i tjeraju djelomice izgorjelu smjesu velikom brzinom u glavni prostor

izgaranja u cilindru. Tu se ona u jakom turbulentnom strujanju mijea sa zrakom i izgara do

kraja.

14

Slika 3.2.4. Predkomora dizelskih motora za osobna vozila tvornice Mercedes Benz [1]

Kod motora s izravnim ubrizgavanjem (DI) gorivo se ubrizgava izravno u cilindar u

nekoliko mlazova (3 do 8), mijea sa zrakom i izgara.

Slika 3.2.5 Lijevo: Veliki sporohodni dizelski motori ( >2),6...8 mlazova, nema vrtloga u

cilidru. Desno: Dizelska cestovna vozila, 4...8 mlazova, intezivan vrtlog zraka u cilindru razbija

mlazove goriva i mijea ih sa zrakom. [1]

geometrija ubrizgaa

Kako bi dolo do to finijeg rasprivanja mlaza tei se geometriji ubrizgaa sa to vie

otvora (ak do jedanaest rupica) s iznimno smanjenim otvorom (reda vrijednosti 100m). Jedna

od osnovnih geometrijskih karakteristika otvora jest mijenjanje poprenog presjeka uzdu

ubrizgaa, to predstavlja koninost otvora. Primjer ubrizgaa s pet otvora:

15

Slika 3.2.5 3D prikaz podruja rasprivanja [4]

Razliite vrste izvedbi ubrizgaa:

Slika 3.2.6. Izvedbe ubrizgaa [1]

Ubrizga mora omoguiti dobro rasprivanje goriva a zavretak ubrizgavanja mora biti

brz i bez kapanja. Velika kapljica na kraju ubrizgavanja stvorila bi au u ispuhu i pogorala

tetnu emisiju. Kod motora s komorom gorivo se ubrizgava jednim mlazom pa se primjenjuje

ubrizga s epom (oblici 1 do 2b na slici 3.2.6). Pri svakom otvaranju i zatvaranju ep proisti

izlazni otvor pa je opasnost od zaepljivanja sapnice ubrizgaa mala a i zahtjevi na proiavanje

goriva su manji. Nasuprot njima ubrizgai za motore s izravnim ubrizgavanjem ubrizgaju gorivo

u nekoliko mlazova kroz provrte smjetene na bonim stranama kapice kojom zavrava ubrizga

(oblici 3 do 5). Kod najmanjih sapnica ubrizgaa promjer ovih otvora iznosi svega 0.1 mm pa je

opasnost zaepljivanja vrlo velika te gorivo treba biti jako isto. Najnoviji ubrizgai imaju stoga

oblik kao na slici 3.2.6/5: konusni zavretak igle brtvi tono na izlaznim otvorima pa gorivo

koje preostane ispod igle ne moe kapati. Meutim, prilikom sjedanja igle na sjedite kod

ovakvog ubrizgaa se pojavljuje hidrauliki udar u volumenu goriva ispod igle. Taj udar izaziva

poveana naprezanja koja su na poetku razvoja ovih relativno novih ubrizgaa rezultirala

odlomljivanjem kapice ve nakon prilino kratkog vremena uporabe.

16

4 . PROCES IZGARANJA DIZEL MOTORA

4.1. Zakanjenje paljenja

U toj fazi nema porasta tlaka jer treba vremena da se kapljice goriva zagriju i ispare i da

se njihove molekule ponu susretati s molekulama kisika. Zakanjenje ovisi o upaljivosti goriva

(CB), o kompresijskom omjeru (i time o temperaturi zraka na kraju kompresije u cilindru), te o

obliku prostora izgaranja. Ono se moe podijeliti podijeliti u sljedee podfaze:

Ulazak mlaza kroz ubrizga u prostor izgaranja

Raspad mlaza u kapljici

Raspad veih kapljica u manje

Pregrijavanje kapljica

Isparavanje kapljica

Mijeanje para s okolnim zrakom

Poetak pripremih kemijskih reakcija koje dovode do samozapaljenja

Istovremeno paljenje gorive smijese na vie mijesta

Zakanjenje paljenja se moe podijeliti na fiziko i kemijsko. Fiziko zakanjenje

paljenja ovisi o fizikom procesu pripreme goriva, a kemijsko o tlaku i temperaturi u prostoru

izgaranja te kvaliteti goriva.

17

Slika 4.1.1. Utjecaj zakanjenja paljenja na izgaranje u dizelskom motoru [ ]

Brzina isparavanja kapljica raste linearno s temperaturom okoline, a brzina kemijskih

reakcija raste eksponencijalno, tj. mnogo bre s porastom temperature. Posljedica toga je da pri

viim temperaturama masa isparenog goriva do trenutka upaljivanja gorive smjese manja, a

jednako tako je manja i koliina goriva koja izgara u homogenoj fazi.

U radu motora tei se malom zakanjenju paljenja (1/1000 s) jer je tada porast tlaka u

cilindru blai pa motor meke (tie) radi. Meutim, ako je zakanjenje vee (2/1000 s),

upaljivanje zapoinje prekasno pa se prije poetka izgaranja u cilindru nakupi vie goriva i ono

nakon upaljivanja prebrzo izgori. To izaziva naglo poveanje tlaka praeno tvrdim radom,

odnosno glasnim lupanjem motora.

4 . 2 . Nekontrolirano izgaranje

im se prve kapljice upale, temperatura u cilindru poraste pa veliki dio ubrizgavanoga

goriva prelazi odmah u plinovito stanje i mijea se sa zrakom. Izgaranje poinje u podruju

0.7 (vidi sliku 1.2.), a brzina izgaranja ovisi o lokanom stanju smjese (faktoru zraka,

temperaturi). Velikom brzinom izgara dio mlaza s malim vikom zraka > 1 (na slici 1.3.).

Brzina oslobaanja topline Q (J/KV) je najvea (prvi dio Zakona oslobaanja topline na slici

4.3.1.), pa je i porast tlaka (p/ na slici 4.2.1.) najvei upravo u ovoj fazi.

18

Slika 4.2.1. Zakon izgaranja i trajanje kod dizelskog motora [1]

Iz poloaja teita izgaranja T (toka 50% na krivulji zakona izgaranja) vidi se da to je

teite T blie GMT to je vei stupanj savrenstva, ali su tada vrni tlakovi i temperature u

cilindru visoki, a to uzrokuje poveanu emisiju NOx u ispuhu, poveano optereenje dijelova

motora i poveanu buku izgaranja.

Optimalni poloaj teita izgaranja T:

kod dizelskih motora s izravnim ubrizgavanjem goriva: 10...15KV iza GMT

kod dizelskih motora s komorom: 15...20KV iza GMT

19

4.3. Kontrolirano izgaranje

Ubrizgavanje je prestalo a preostala koliina neizgorjelog goriva se i dalje mijea sa

zrakom i izgara, gotovo do kraja. Neizgorjelo se gorivo mijea i s produktima izgaranja, kojih u

cilindru ima sve vie, pa brzina izgaranja goriva (g/KV), odnosno brzina oslobaanja

topline Q (J/KV) postupno opadaju. Bolje vrtloenje (turbulencija) zraka utjee povoljno na

stvaranje smijese (mijeanje goriva i zraka), ali uzrokuje vee toplinske gubitke. Naknadno

ubrizgavanje goriva se nastoji izbjei zbog nepotpunog izgaranja te time dodatnih toplinskih

optereenja motora.

Slika 4.3.1. Zakon ubrizgavanja i zakon oslobaanja topline kod dizelskog motora. Oznake:

Upubrizgavanje poetak, Uk ubrizgavanje kraj, Ip izgaranje poetak, Ik izgaranje kraj,

T - teite izgaranja. Osjenana ploha prikazuje ukupnu koliinu goriva po procesu, odnosno

ukupnu osloboenu toplinu. [1]

20

4.4. Dogorijevanje

Velika koliina produkata izgaranja u cilindru oteava susret jo malobrojnih kapljica

neizgorjelog goriva s preostalim molekulama kisika pa izgaranje tee vrlo sporo. Ova faza traje

otprilike polovinu ukupnog trajanja izgaranja. Dio ae koji je stvoren za vrijeme izgaranja

odlazi u ispuh, ako ne doe u kontakt s kisikom.

Prilikom izgaranja mlaza dolazi do cjepanja molekula iji su uzroci:

Visoki tlakovi i temperature, lokalni manjak kisika, cijepanje velikih lanastih molekula

goriva na manje koje tee izgaraju (tee reagiraju s kisikom).

Vanjski slojevi mlaza goriva, u kojima su sitne kapljice okruene s puno molekula kisika

stoga brzo izgaraju, te plamen zahvaa unutarnje slojeve. Meutim, u tim slojevima je

ve dolo do ovog nepovoljnog cijepanja molekula, pa izgaranje tee sporije.

Slika 4.4.1. Dijelovi procesa izgaranja u dizelskom motoru [ ]

21

Dogorijevanje se vri za vrijeme ekspanzije, to izaziva povienje temperature ispunih

plinova i odvoenje vie topline na rashladni medij, jer su se rashladne povrine ve poveale.

Znatnije dogorijevanje za vrijeme ekspanzije izaziva prejako zagrijavanje cilindarskih stijenki,

poklopca i ispunih ventila. Poveani gubici topline ispunim plinovima i rashladnom vodom

smanjuju ukupnu iskoristivost motora.

4 . 5 . T empera tu ra t l aka u c i l ind ru pr i l iko m i zg a ran j a

Poveanjem temperature u cilindru na kraju kompresije dolazi do breg isparavanja

ubrizganog goriva, bre se pali, irenje plamena je bre pa je vea i brzina porasta tlaka. to je

vei tlak ubrizgavanja to su sitnije kapljice goriva a time je i bre izgaranje. Zbog toga je i brzina

porasta tlaka vea. Vei broj mlazova i olakava mijeanje goriva i zraka to opet ubrzava

izgaranje i poveava brzinu porasta tlaka. Poloaj poetka ubrizgavanja u odnosu na GMT i

zakon ubrizgavanja imaju veliki utjecaj na tok tlaka u cilindru. Oni odreuju da li e se vie

topline dovesti preteno kod konstantnog volumena ili kod konstantnog tlaka. To takoer utjee i

na vrni tlak procesa. Vrtloenje plinova u cilindru takoer ubrzava izgaranje i poveava brzinu

porasta tlaka.

Najvie temperature u cilindru dostiu 2000C, a najvii tlakovi kod velikih brodskih

motora idu do 200 bar , kod automobilskih DI-motora i preko 150 bar uz tendenciju porasta.

Prednosti suvremenih dizelskih motora s izravnim ubrizgavanjem su izvanredno niska specifina

efektivna potronja goriva i visoki moment ve, kod vrlo niskih brzina vrtnje. Nedostaci su im

visoke sirove emisije, duikovih oksida i estica. Ukoliko se proces izgaranja vodi tako da su

vrne temperature vee, manje je estica ali je vie duikovih oksida, a ako su temperature nie

manje je duikovih oksida ali je vie estica. Najuinkovitije sredstva za smanjivanje potronje

goriva su to vei tlakovi ubrizgavanja jer se tada gorivo raspruje u sitnije kapljice te bre i

potpunije izgara. Meutim, posljedica su poveanje koncentracije izvanredno sitnih estica ae

u ispunim plinovima, koje su naroito tetne po zdravlje.

22

4 . 6 . Mj ere za s man j en j e t e t n e emi s i j e NO x

Slika 4.6.1. Ovisnost usisnih kanala o NOx emisiji, potronji goriva te smijesi goriva i zraka [1]

Vidimo na lijevoj slici iskopavanjem jednog usisnog kanala kod manjeg optereenja

poveava se vrtloenje , na desnoj slici da to potpomae mijeanje goriva i zraka. To smanjuje

emisiju NOx ali poveava potronju goriva. Kod manjeg optereenja motora je tangecijalni kanal

zatvoren i zrak ulazi samo kroz vrtloni kanal pa je vrtlog u cilindru vei. Kod veeg optereenja

su obadva kanala otvorena za bolje punjenje cilindra.

Veliki trud je uloen u optimiranje oblika prostora izgaranja u klipu. Pritom je najvaniji

bio rub ela klipa. O njemu ovisi rasprivanje mlaza goriva i vrtlono strujanje u cilindru, a to

znai i emisija tetnih tvari. Ako se rub oblikuje pogreno, klip e na njemu brzo stradati. Da bi

se smanjilo stvaranje ae, vano je da u udubljenju u klipu bude to vie svjeega zraka u

trenutku kada zapoinje ubrizgavanje. Zbog toga je zranost izmeu ela klipa i glave cilindra

smanjena na samo 0,7 mm ime se postiglo da na poetku ubrizgavanja udio svjeega zraka u

udubljenju klipa dostigne 67%.

23

5. OPTIMALNO IZGARANJE ZA ODREENI MOTOR

5.1. Toplina osloboena izgaranjem

Zakon oslobaanja topline opisuje tok oslobaanja topline u cilindru. To je vremenska

funkcija dovoenja goriva u cilindar i brzina izgaranja. Integral te funkcije predstavlja ukupnu

osloboenu toplinu u cilindru. U praksi, a u svrhu matematikih prorauna i modeliranja

izgaranja, najvei problem predstavlja pronalaenje matematike funkcije koja to tonije

opisuje stvarni tijek oslobaanja topline. Openiti oblik te fukcije je:

= ( , , ,n ,p ,T , . . ) = ( , K ) (5 .1 )

Na slici 4.1. prikazani su indicirani tlakovi i zakoni oslobaanja topline na

etverotaktnom brzookretnom motoru na dva razliita reima rada. Vide se razlike u oblicima

krivulja. Kod maksimalnog optereenja krivulja zakona oslobaanja topline nema veih

oscilacija (dQ/d). Kod punog optereenja dQ/d znatno oscilira to za posljedicu ima i znatno

kompliciraniji matematiki zapis.

24

Slika 5.1.1.: Prikaz tlakova i zakona oslobaanja topline ovisno o kutu koljenastog vratila na 4T

brzookretnom motoru, pri djelominom optereenju i na maksimalnom optereenju [5]

U najee primjenjivane matematike opise zakona oslobaanja topline spadaju

jednostruka Vibe funkcija, dvostruka i viestruka Vibe funkcija, Watson-Piley-Marzouk opis

izgaranja te poligon-hiperbola opis.

Puno optereenje n = 1500 o/min

s.e.t. = 22,2 bar

Linija tlaka

Linija

oslobaanja

topline

[oKV]

[oKV]

Djelomino optereenje n = 1500 o/min

s.e.t. = 9,8 bar

dQ

/d

[kJ/

oO

K]

dQ

/d

[kJ/

oO

K]

Linija tlaka

Linija

oslobaanja

topline

25

U daljnjem objanjenju upoznat emo se sa jednom od najee primjenjivanih

matematikih opisa oslobaanja topline u procesu izgaranja-Vibe funkcijom.

5.2. Vibe-ova funkcija

S obzirom da su procesi koji se odvijaju u cilindru motora za vrijeme njegova rada vrlo

sloeni uvedene su odreene pretpostavke koje mijenjaju sliku dijagrama i na taj nain

olakavaju proraun. Uvedene pretpostavke su:

Usis traje do donje mrtve toke

Tlak u cilindru za vrijeme usisa je konstantan i jednak je tlaku na poetku kompresije

Kompresija u cilindru zapoinje u donjoj mrtvoj toki, a zavrava poetkom procesa

izgaranja

Kompresija je predstavljena kao politropska promjena stanja s prosjenim

eksponentom politropske kompresije

Po zavretku izgaranja nastavlja se ekspanzija koja je isto tako predstavljena kao

politropska promjena stanja s prosjenim eksponentom politropske ekspanzije

Ekspanzija traje do donje mrtve toke kada zapoinje ispuh

Tok tlaka i temperature za vrijeme usisa i ispuha isputa se iz razmatranja u ovom

proraunu. Tlak usisa i ispuha koji su polazne veliine za proces kompresije, za

potrebe prorauna samo se pretpostavlja, na osnovu iskustva

26

Na osnovu pretpostavki izvorni dijagrami e poprimiti oblik:

Slika 5.2.1. Lijevo: (p,V)dijagram; Desno: razvijeni dijagram tlaka matematikog modela [1]

Odavde se moe vidjeti da e sam proraun biti podijeljen na tri razliita dijela:

1. kompresija (od A do Y)

2. izgaranje (od Y do Z)

3. ekspanzija (od Z do B).

Proces izgaranja mnogo je sloeniji od kompresije i ekspanzije, te ga nije mogue

predstaviti nekom politropskom promjenom stanja. Za vrijeme procesa izgaranja, pored

promjene stanja uslijed promjene volumena, postoji i intenzivno dovoenje topline uslijed

izgaranja goriva, koje mijenja svoj intenzitet.

27

Proces izgaranja zbog toga se dijeli na male vremenske intervale, na nain prikazan na slici:

Slika 5.2.1 Shema podijele procesa izgaranja na male vremenske intervale [1]

Za svaki vremenski interval izrauna se tlak i temperatura na kraju intervala, na osnovi

tlaka i temperature na poetku intervala. Proraun zapoinje s poznatim tlakom i temperaturom

na kraju kompresije, i ponavlja se sve dok se ne proe kroz cijeli proces izgaranja. Broj koraka u

proraunu ovisit e dakle o duljini trajanja izgaranja i veliini malih vremenskih intervala. to je

mali vremenski interval manji proraun e biti precizniji, ali e zato trebati vei broj koraka to

znai da e vrijeme raunanja biti dulje.

Proraun toka tlaka provodi se tako to se za svaki odsjeak procesa izgaranja

postavlja prvi glavni stavak termodinamike:

= * ( ) +

( 5 . 2 )

Koliina iskoritene topline u intervalu 1-2 moe se izraunati iz jednadbe:

= * ( ) = * ( 5 . 3 )

28

Ukupna koliina iskoritene topline tokom cijelog procesa izgaranja je:

=

- za dizelski motor (5.4)

Gdje su:

- donja ogrijevna vrijednost goriva

- koeficijent iskoristivosti topline pri izgaranju

Udjeli izgorjelog goriva na poetku i na kraju intervala izraunavaju se iz Vibeove

funkcije izgaranja, tj. funkcije udjela izgorjelog goriva,koja glasi:

= 1 -

( 5 . 5 )

Gdje su:

m = znaajka izgaranja

= duljina trajanja izgaranja

= kut zakreta koljenastog vratila u odnosu na poetak izgaranja

Vrijednosti koeficijenta C za odreeni stupanj iskoristivosti izgaranja goriva (pretvorene

energije goriva u toplinsku energiju) dobivamo iz izraunatih vrijednosti u tablici

(5.1)

0 , 99 9 0 , 99 0 0 , 98 0 0 , 97 0 0 , 96 0 0 , 95 0 0 , 90 0

C 6 , 90 8 4 , 60 5 3 , 91 2 3 , 50 7 3 , 21 9 2 , 99 6 2 , 3

Tablica 5.1

29

Ako pretpostavimo da je na kraju izgaranja 99,9 % goriva pretvoreno u toplinsku

energiju, koeficijent C = 6,908. Za vrijednost =1, tj. 100%-tnu pretvorbu kemijske

energije goriva u toplinsku energiju, koeficijent C tei ka beskonanosti, te ga nema smisla

primjenjivati. Drugim rijeima, o pretpostavci koeficijenta C ovisi definiranje kraja izgaranja. Iz

dijagrama zakona oslobaanja topline se lijepo moe vidjeti kako zadnja faza, tj. faza

dogorijevanja traje vrlo dugo i asimptotski se pribliava osi x. Budui da je to u beskonanosti,

potrebno je zbog praktinosti prorauna definirati kraj izgaranja u nekim razumnim granicama,

uz uvjet da je najvei udio goriva pretvoren u toplinu. Neki autori definiraju kraj izgaranja kad je

izgorjelo 97% goriva, tj. uzimaju koeficijent C=3,51.

Ako deriviramo ukupno dovedenu toplinu s gorivom, po kutu koljenastog vratila, dobiva

se brzina oslobaanja topline:

= *C*(m+1)*

*

(5.6)

gdje je m koeficijent oblika i o njemu ovisi mjesto najveeg intenziteta oslobaanja topline.

Slika 5.2.2. Udio izgorjelog goriva i brzina izgaranja prema Vibeu [5]

30

= udio izgorenoga goriva, odnosno udio osloboene topline

= brzina dovoenja goriva, odnosno uz pretpostavku da gorivo trenutno izgara moe se rei

da je to brzina izgaranja ili brzina oslobaanja topline

Pri proraunu toka temperature potrebno je uzeti u obzir i promjenu koliine (broja

molova) plinova tijekom procesa izgaranja jer dolazi do promjene sastava plinova u

cilindru

Izraz za izraunavanje temperature u proizvoljnom trenutku procesa izgaranja glasi:

T =

( 5 . 7 )

Gdje su:

p = tlak u proizvoljnom vremenskom trenutku

=kut zakreta KV u odnosu na GMT u proizvoljnom vremenskom trenutku

=faktor trenutane promjene koliine plinova

=funkcija vremena- predstavlja vezu volumena u proizvoljnoj toki poloaja klipa i

volumena na poetku kompresije

Faktor trenutane promjene koliine plina moe se izraunati iz:

=1+( )* (5.8)

Gdje su:

31

=faktor maksimalne promjene koliine plina

=udio izgorjelog goriva za proizvoljni trenutak

Za faktor maksimalne promjene koliine plina vrijedi:

=

(5.9)

Gdje je:

=faktor maksimalne promjene koliine plinova za sluaj kada pri izgaranju nisu prisutni

zaostali plinovi izgaranja.

Za dizelske motore faktor maksimalne promjene koliine plinova rauna se iz:

=1+

(5.9.1)

Gdje su:

c= maseni dio ugljika u gorivu

h= maseni dio vodika u gorivu

s= maseni dio sumpora u gorivu

o= maseni dio kisika u gorivu

32

5.3. Analiza radnog ciklusa brodskog motora MAN B&W 6S70 MC u svrhu optimiranja

Analiza radnog ciklusa dizelskog motora se ostvaruje dijagnostikim alatima (senzori za

mjerenje tlaka u cilindru, pick-up davaa brzine) koji obavljaju mjeranje tlaka u cilindru i brzinu

vrtnje koljeniastog vratila. Takoer postoje i izvedbe alata sa kombiniranim mjerenjem tlaka u

cilindru i tlaka ubrizgavanja goriva ili mjerenjem vibracija motora.

Dobiveni podaci o tlaku u cilindru, tlaku ubrizgavanja ili vibracijama se prikazuju i

analiziraju na sljedee naine:

u obliku dijagrama

u obliku tablice

u obliku stupanog grafa

U ovom dijelu emo prikazati odreene relevantne znaajke dobivene obradom

indiciranog dijagrama. Iz dobivenih rezultata ocjenjuje se pravilnost odvijanja radnog procesa i

ukazuje na mogunost optimiranja rada motora. Sadanji stupanj razvoja motora i opreme za

dijagnostiku stanja omoguuje nam upravljanje sustavom ubrizgavanja goriva i sustavom

ispunih ventila, a time i preciznije podeavanje veliina bitnih za optimiranje radnog procesa

motora: poetak i zavretak ubrizgavanja goriva, vremena otvaranja i zatvaranja ispunih ventila.

Radi se o esterocilindrinom, dvotaktnom, sporohodnom, linijskom, porivnom Diesel

motoru vrlo dugog stapaja firme MAN B&W. Tip 6S70MC spada u seriju vrlo ekonominih

motora sa toplinskom iskoristivou veom od 50% i specifinom potronjom goriva ispod 160

g/kWh.

Slijedi analiza indiciranih dijagrama pri 100% optereenja za podruje ubrizgavanja i

izgaranja. Odreuje se odstupanje od referentne vrijednosti te ukazuje na uzroke odstupanja i

daju se prijedlozi za korekciju parametara kako bi se postiglo optimalno izgaranje.

33

Razmatranje krivulja tlaka za 100% optereenja:

Na slici 5.3.1. uoava se odstupanje prvog cilindra ija se krivulja ne poklapa s ostalim

krivuljama. Na sljedeim slikama ustvrdit e se tono kolika su odstupanja u karakteristinim

tokama.

slika 5.3.1. [6]

0

20

40

60

80

100

120

140

270 315 DMT 45 90 135 GMT 225 270

p [

10^

5 P

a]

a [KV]

PRI 100% OPT.

1. cil 2. Cil. 3. Cil. 4. Cil. 5. Cil. 6. Cil.

34

Podruje ubrizgavanja i izgaranja

Slika 5.3.2. pokazuje da se vrijednosti maksimalnih tlakova izgaranja kreu izmeu 133 i

134 bar. Uoava se manje odstupanje kod etvrtog cilindra (4. cil.) gdje maksimalni tlak

izgaranja iznosi 131 bar i znaajnije odstupanje kod prvog cilindra gdje maksimalni tlak

izgaranja iznosi 128.5 bar. Na istoj se slici vidi da se maksimalnog tlakovi izgaranja postiu za

veinu cilindara krajem 191KV te poetkom 192KV osim kod etvrtog cilindra u 193KV i

prvog cilindra kod kojeg se maksimalni tlak izgaranja postie malo iza 195KV.

S l i ka 5 .3 .2 [6]

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

185,9 186,9 188,0 189,0 190,1 191,1 192,2 193,2 194,3 195,4 196,4

p [

10^

5 P

a]

a [KV]

PRI 100% OPT.

1. Cil. 2. Cil. 3. Cil. 4. Cil. 5. Cil. 6. Cil.

35

Slika 5.3.3. [6]

Slika 5.3.3. otkriva da se poetak nekontroliranog izgaranja za sve cilindre odvija pri

tlaku od 113 do 114 bar, ali pri razliitom kutu koljenastog vratila (KV). Da bi odredili tone

kuteve poetka izgaranja te njihov utjecaj na maksimalni tlak izgaranja koristimo slike 5.3.4.,

5.3.5., 5.3.6., 5.3.7., 5.3.8., 5.3.9.

106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

174.8 175.8 176.9 177.9 179.0 GMT 181.1 182.2 183.2 184.3 185.3

p [

10^

5 P

a]

a [KV]

PRI 100% OPT.

1. Cil. 2. Cil. 3. Cil. 4. Cil. 5. Cil. 6. Cil.

36

Slika 5.3.4. [6]

Slika 5.3.5. [6]

104

106

108

110

112

114

116

118

120

122

174.8 175.8 176.9 177.9 179.0 GMT 181.1 182.2 183.2 184.3 185.3

p [

10^

5 P

a]

a [KV]

1. CILINDAR PRI 100% OPTEREENJA

106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

172.7 173.9 175.1 176.4 177.6 178.8 GMT 181.3 182.5

p [

10^

5 P

a]

a [KV]


37

Slika 5.3.6. [6]

Slika 5.3.7. [6]

106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

174.8 175.7 176.5 177.4 178.3 179.2 GMT 180.9 181.8 182.7 183.6 184.5 185.3

p [

10^

5 P

a]

a [KV]


106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

174.8 175.7 176.5 177.4 178.3 179.2 GMT 180.9 181.8 182.7 183.6 184.5 185.3

p [

10^

5 P

a]

a [KV]


38

Slika 5.3.8. [6]

Slika 5.3.9. [6]

106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

174.8 175.7 176.5 177.4 178.3 179.2 GMT 180.9 181.8 182.7 183.6 184.5 185.3

p [

10^

5 P

a]

a [KV]


106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

174.8 175.7 176.5 177.4 178.3 179.2 GMT 180.9 181.8 182.7 183.6 184.5 185.3

p [

10^

5 P

a]

a [KV]


39

Interesantan je kut od kojega tlak iz stanja stagnacije poima rasti pri poetku perioda

nekontroliranog izgaranja. Dakle, redom su oitani kutevi poetka perioda nekontroliranog

izgaranja:

1. cil. pri 183KV

2. cil. pri 178.3KV

3. cil. pri 179KV

4. cil. pri 181KV

5. cil. malo prije 180KV

6. cil. 178.7KV

Usporedi li se slika 5.3.2. sa navedenim vidi se sljedee. Maksimalni tlak izgaranja postie

se u treem cilindru pri 192.2KV, a pripadajui poetak perioda nekontroliranog izgaranja pri

179KV. Peti cilindar ima manju vrijednost maksimalnog tlaka, ali je kasnije postie i poetak

perioda nekontroliranog izgaranja mu je kasnije. etvrtom cilindru jo kasnije poinje period

nekontroliranog izgaranja te mu je vrijednost maksimalnog tlaka izgaranja jo manja i postie je

jo kasnije.

Znai da pri 100% optereenja vrijedi zakonitost koja glasi to prije zapone period

nekontroliranog izgaranja prije e se postii maksimalni tlak u cilindru i obrnuto.

40

6 . ZAKLJUAK

U radu se vide naini izgaranja dizelskih motora te praenje i kontrola utjecajnih veliina

u svrhu dobivanja optimalnih rezultata izgaranja. Danas je znaaj izgaranja od posebne vanosti

iz vie razloga. Jedna od njih je poveana briga o izvorima energije a ne smijemo ni zanemariti

brigu o okoliu i smanjenju emisije tetnih plinova.

Cilj izgaranja kod motora SUI je dobivanje maksimalnog rada pri pretvorbi kemijske

energije goriva u toplinsku, a zatim u mehaniku energiju djelovanjem sile tlaka na krunu klipa u

cilindru.

Da bi ostvarili optimalno izgaranje moramo pratiti relevantne veliine procesa izgaranja

(tlak i temperatura u cilidru, te tlak i temperatura ubrizganog goriva) i shvatiti njihov utjecaj na

proces izgaranja. Danas postoje i mnogi matematiki modeli koji opisuju nain na koji se toplina

oslobaa pri izgaranju, stoga je obraena jedna od najprimjenjivih funkcija izgaranja, Vibeova

funkcija.

Predoilo se na koji nain moemo doi do odreenih zakonitosti procesa izgaranja.

Praenjem neke od utjecajnih veliina procesa izgaranja uoavaju se odstupanja od referentnih

vrijednosti. Ako odstupanja mjenjaju vrijednost, mjenjajui vrijednost neke druge utjecajne

veliine po pravilnom redosljedu, dolazimo do veze izmeu njih, to nam u konanici daje

mogunost optimiranja izgaranja.

41

LITERATURA

[1] Mahalec, Luli, Kozarac: Motori s unutarnjim izgaranjem, Zagreb, 2009 .

[2] kifi, N.: Analiza utjecajnih parametara opreme na znaajke dizelskog motora, Rijeka,

2003.

[3] http://www.fsb.unizg.hr/NewsUpload/03_04_2007_7113_GM_05_predavanje_2006-

07.pdf, Zagreb, 2007.

[4] Dorri, A.: Utjecaj geometrije otvora pri pojavi kavitacije brizgaljki dizelovih motora,

brojano ispitivanje, Tirana, 2009.

[5] Bernei, D.: Analiza utjecaja viestrukog ubrizgavanja na procese i produkte izgaranja u

sporookretnom brodskom dizelskom motoru, Rijeka, 2010.

[6] Radica G., Antoni R., Rai N.: Analiza radnog procesa u svrhu optimiranja rada

brodskog Diesel motora, Split, 2009.

[7] http://www.dieselnet.com/tech/diesel_comb.html, 2006.

[8] Radica, G.: Ekspertni sustav za dijagnostiku stanja i optimiranje rada brodskog

Dieselovog motora, Split, 2005.

[9] Henjak, I.: Tehnologije za praenje i kontrolu rada brodskih sustava, Split, 2008.

Documents

Izgaranje u dizelskom motoru