Увод у мотор са унутрашњим сагоревањем

Увод у мотор са унутрашњим сагоревањем

Погон возила се обично остварује помоћу мотора, познатих и као примарни покретачи, односно механичких уређаја који су способни да претворе хемијску енергију горива у механичку енергију. Иначе, енглески израз „енгине“ вероватно има француско порекло од старофранцуске речи „енгин“ за коју се сматра да потиче од латинског „ингениум“ (који дели исти корен од „ингениеур“ или „ инжењер”).

Хемијска енергија горива се прво претвара у топлоту сагоревањем, а затим се топлота претвара у механички рад помоћу радног медија. Овај радни медијум може бити течност или гас. Заиста, топлота произведена сагоревањем повећава њен притисак или специфичну запремину, а захваљујући њеном ширењу добија се механички рад.

У моторима са унутрашњим сагоревањем (ИЦЕ) производи сагоревања (нпр. ваздух и гориво) се користе као радни медијум, док код мотора са спољним сагоревањем производи сагоревања преносе топлоту другом радном медију помоћу измењивача топлоте. Штавише, док се код ИЦЕ сагоревање одвија унутар цилиндра, код мотора са спољним сагоревањем, сагоревање се добија у посебној комори, која се обично назива горионик.

Класификација типова мотора



Пошто је процес сагоревања ИЦЕ мења карактеристике радног медија, циклични рад се може постићи само периодичном заменом самог радног медија, односно кроз отворени циклус. Термин 'циклус' за ИЦЕ се стога односи на радни циклус мотора који се мора периодично заменити, а не на термодинамички циклус радног флуида. Горива морају имати карактеристике компатибилне са радом ИЦЕ, што значи да њихови производи сагоревања треба да омогуће да се користе као радни медиј (нпр. сагоревање не би требало да формира пепео као у вашем димњаку, што би изазвало заглављивање механизма мотора).

Мотор са унутрашњим сагоревањем

Клипни мотори са унутрашњим сагоревањем се обично бирају за погон копнених возила са неким изузецима ( електромотори за трамваје, тролејбусе или електричне аутомобиле), због њихове повољне густине снаге и релативно ниских трошкова производње и услуга (у поређењу са гасним турбинама на пример).

У клипном ИЦЕ-у, кретање клипа у цилиндар, затворен на супротном крају главом цилиндра, производи цикличну варијацију запремине цилиндра. Клип је повезан са шипком и полугом са осовином, чија стабилна ротација изазива циклично кретање клипа између два екстремна положаја, горњег мртвог центра (ТДЦ, најближи глави цилиндра) и доњег мртвог центра (БДЦ, највеће растојање од главе цилиндра). Ове две позиције одговарају минималној запремини цилиндра (запремина простора, Вц) и максималној запремини цилиндра (укупна запремина, Вт). Разлика између максималне и минималне запремине назива се замашна запремина или запремина цилиндра и назива се Вд. И коначно, однос између максималне и минималне запремине назива се компресијски однос (рц).

ИЦЕ дефиниција

ИЦЕ класификација

Мотори са унутрашњим сагоревањем могу се класификовати у различите категорије. Два најважнија су заснована на процесу сагоревања (паљење варницом наспрам компресијског паљења) и на радном циклусу (2 такта наспрам 4 такта). Додатна класификација се може заснивати на усису ваздуха (са природним усисавањем или турбо пуњењем), уливању горива (индиректно или директно убризгавање) и систем хлађења (хлађени ваздухом или водом). У овом чланку ће бити приказане само разлике између процеса сагоревања.

ИЦЕ класификација

Паљење варницом и паљење компресијом

Искра за паљење

У моторима са варничним паљењем користе се горива са релативно ниском реактивношћу као што су бензин, компримовани природни гас (ЦНГ) или течни нафтни гас (ГПЛ). Таква горива се мешају са ваздухом да би се формирала запаљива, хомогена смеша ваздух/гориво, а затим се компримују у мотор да би се достигла температура од око 700 К (400 °Ц) и притисак од око 20 бара, без икаквог спонтаног паљења.

Ово понашање се може објаснити на основу карактеристика молекула горива: угљоводонична горива која се користе у моторима са варничним паљењем (СИ) су направљена од молекула кратког ланца, чврсте и компактне структуре (као што је ЦХ4 за ЦНГ или изо-октан Ц8х28 за бензин) за што је и при високим температурама и притисцима време потребно за отпочињање процеса сагоревања доста дуго. Међутим, овај концепт се не сме мешати са способношћу течног горива да испари на собној температури и формира запаљиву смешу у ваздуху околине. Ова способност је висока код бензина и одређује опасност од експлозије ако постоји извор паљења.

У СИ моторима, процес сагоревања се стога може покренути само (барем за класично сагоревање) са спољним извором енергије као што је електрична Искра. Енергија која се додаје смеши електричним пражњењем је мала (око 10 мЈ магнитуде), али је у сваком случају неопходна за почетак процеса сагоревања.Цртеж цилиндра са компресијским паљењем

Од првог зрна запаљеног варницом, сагоревање се затим шири кроз смешу: слој за слојем, фронт пламена путује кроз комору, углавном захваљујући конвективној размени топлоте између гасова сагоревања и свеже смеше, до последњих зона (званих „ крајњи гас”) далеко од варнице се достижу.

Брзина фронта пламена је око 20-40 м/с, и увелико се повећава са турбуленцијом унутар смеше (турбуленција повећава површину између свежег и сагорелог гаса, тако се повећава размена топлоте, а тиме и брзина ширења пламена). Пошто се интензитет турбуленције повећава са брзином мотора и брзина предњег пламена је пропорционална интензитету турбуленције, брзина предњег пламена ће се повећавати са брзином мотора, чиме се компензује смањење времена доступног за сагоревање. Захваљујући томе, готово да нема ограничења у погледу број обртаја мотора за СИ моторе из сагоревања тачка гледишта (мотор Формуле 1 може да ради до 20 000 обртаја у минути).

Међутим, смеша ваздух/гориво, када се одржава на високим температурама и притисцима дуже време, може на крају да се подвргне самозапаљењу. Из тог разлога може доћи до абнормалног сагоревања када се крајњи гас спонтано запали пре доласка фронта пламена. Ово абнормално сагоревање изазива нагли пораст притисак у цилиндру праћене таласима притиска унутар коморе за сагоревање који се преносе кроз конструкцију мотора у околину. Ово се назива „куцање“ и може проузроковати оштећења клипа и цилиндра услед напрезања топлотног замора. Да би се избегло куцање, СИ мотор мора да поштује неколико ограничења у погледу максималне дужине путање пламена (која ограничава максимални пречник цилиндра који се назива отвор на око 100 мм) и максималне дозвољене температуре и притиска крајњег (свежег) гаса (који ограничити и степен компресије и притисак преднапона).

Штавише, високе вредности брзине пламена се могу постићи само ако је однос ваздух/гориво прилично близу стехиометријском односу: стога, када СИ мотор мора да ради са делимичним оптерећењем, немогуће је смањити само гориво уз одржавање непромењеног ваздушна маса у цилиндар. Затим, употреба уређаја за смањење протока ваздушне масе је потребна за контролу оптерећења (често се бира усисни гас) чак и ако то узрокује смањење ефикасности при делимичном оптерећењу.

[цолоред_бок вариатион=”мосс греен” титле=”Шта је стехиометрија?”]Стехиометрија се дефинише као тачка у којој се, у смеши, сав кисеоник троши и сво гориво сагорева. За бензин, однос масе је 14,7:1 (14,7 грама ваздуха на 1 грам горива). [/цолоред_бок]

Компресијско паљење

Еволуција температуре у комори за сагоревањеКада се користе горива веће реактивности, као што је дизел, она се не могу мешати са ваздухом, а затим сабијати у цилиндар јер би у супротном процес сагоревања започео спонтано током такта компресије. Заиста, дизел гориво је мешавина угљоводоника која се може представити цетаном, Ц16Х34, са молекулом дугог правог ланца у коме се прелиминарне реакције процеса оксидације одвијају прилично брзо на високим температурама и притисцима.

дакле, дизел гориво се убризгава под високим притиском прскање течности у већ компримовани ваздух, непосредно пре жељеног почетка сагоревања (у случају класичног сагоревања дизела). Мале капљице горива (пречника око 10 µм), окружене врелим компримованим ваздухом (око 900 К), брзо испаравају и процес сагоревања спонтано почиње са изузетно кратким одлагањем паљења.

За разлику од СИ мотора, процес сагоревања у дизел мотору не може самостално да прилагоди своје карактеристике расположивом времену за обављање сагоревања у вези са повећањем брзине мотора (тј. време потребно за испаравање горива, мешање и кашњење паљења неће се смањивати са повећањем брзине мотора) . Због тога ови мотори не могу да раде при брзинама већим од 5000 о/мин.

Коначно, за разлику од СИ мотора, не постоје строги захтеви у погледу односа ваздух/гориво за ову врсту сагоревања. При делимичном оптерећењу, количина убризганог горива се смањује уз задржавање исте количине индуктивног ваздуха, без икакве потребе за пригушивачем, а затим без икаквих додатних губитака.