Název školy Integrovaná střední škola technická, Vysoké Mýto, Mládežnická 380

Číslo a název projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0374Inovace vzdělávacích metod EU - OP VK

Číslo a název klíčové aktivity III/2 INOVACE A ZKVALITNĚNÍ VÝUKYPROSTŘEDNICTVÍM ICT

Autor Ing. Jiří Tocháček

Číslo materiálu VY_32_INOVACE_AUT_2U_TO_23_11Název Zážehové motory - princip, pracovní oběhyDruh učebního materiálu *.pdf - soubor, popř. WordPředmět AutomobilyRočník Druhý - učebního oboru "Mechanik a opravář motorových

vozidel" 23 - 68 H/01Tématický celek Motory - agregátyAnotace

Učební materiál uvádí základní údaje o zážehových motorech a jejich konstrukcí.

Metodický pokyn Je vhodné pracovat s data projektorem a počítačem s možností připojení na Internet.

Klíčová slova Horní, dolní úvrať, zdvih, točivý moment, výkon apod.

Očekávaný výstup Žák získá základní přehled o konstrukci zážehového motoru a jeho funkci

Datum vytvoření 15.02.2014

1

Zážehové motory

Princip a způsob práce

1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.

doba – sání

Pohybem pístu dolů vzniká v důsledku zvětšování prostoru ve válci rozdíl tlaků – 0,01 až - 0,03 MPa, oproti atmosférickému tlaku a dochází k nasávání zápalné směsi do válce motoru, která se tvoří buď v sacím kanále nebo vstřikem přímo do válce. Pro zvýšení účinku naplnění válce vzduchem nebo směsí dochází k otevření SV až 450 před HÚ a zavírá se 350 až 900 úhlu kliky za DÚ.

2. doba – komprese

Pohybem pístu nahoru se obsah válce (směs, vzduch) stlačuje na sedminu až dvanáctinu původního objemu válce. Dochází přitom k zahřívání směsi na 400 až 5000 C. Zároveň dochází ke zvýšení tlaku a na konci komprese se pohybuje kolem 1,8 MPa. Zvýšená teplota podporuje odpařování paliva a vytváření homogenní směsi – palivo,vzduch. Během doby stlačení je SV a VV uzavřený.

3. doba – expanze

Zapálení stlačené směsi je aktivováno přeskočením elektrického výboje (zážehové jiskry) mezi kontakty (elektrodami) zapalovací svíčky. Časový úsek od přeskočení jiskry až k plnému rozvoji spalování je asi 1/1000 sec. Při rychlosti spalování 20 m/sec. Z důvodu rychlosti spalování, která je konstantní musí v závislosti na počtu otáček motoru jiskra přeskočit 00 až 400 před HÚ, aby byl k dispozici potřebný nárůst spalovacího tlaku na 3 až 6 MPa, dosahujícího maxima krátce za HÚ (40 až 100 úhlu kliky). Expanze

2

rozpínajících se plynů tlačí píst dolů směrem k dolní úvrati a dochází k přeměně tepelné energie na mechanickou práci.

4. doba – výfuk

Výfukový ventil se otevírá již před DÚ (400 až 900), čímž se zlepšuje odvod výfukových plynů z válce tlakem 0,3 až 0,5 MPa , který je ještě na konci expanze. Výfukové plyny proudí z válce až rychlostí zvuku, zbývající plyny jsou vytlačeny pístem při pohybu nahoru směrem k HÚ přetlakem asi 0,02 MPa. VV se zavírá až za HÚ ( je tedy současně po určitou dobu otevřen společně s SV – překrytí (střih)ventilů), aby se zlepšilo vyplachování válce, vnitřní chlazení spalovacího prostoru a plnění válce.

Fyzikální a chemické základy

Čtyřdobý zážehový motor se vyznačuje těmito vlastnostmi :

- provoz na kapalné (benzin) nebo plynné palivo (zemní plyn);- tvorba směsi

vnější tvorba směsi – směs paliva a vzduchu je připravena mimo pracovní válec; vnitřní tvorba směsi – do válce se nasává vzduch a palivo se vstřikuje přímo do válce během

doby sání nebo komprese;- zapálení stlačené směsi cizím zdrojem – zapalovací svíčka;- spalování při stálém objemu – rychlým hořením směsi probíhá spalování téměř při konstantním

objemu spalovacího prostoru (v oblasti HÚ);- kvantitavní regulace – požadovaný výkon motoru (zatížení) je regulován množství směsi, závisejícím

na poloze škrtící klapky (karburátor)- kvalitativní regulace – požadovaný výkon motoru je regulován na základě váhy vzduchu a otáček

motoru (zatížení) a dalších veličin ovlivňujících tvorbu směsi (vstřikování).

Plnění- doprava směsi (palivo + vzduch) nebo vzduchu do válce motoru během „sání“.

Zlepšení plnění

Pro zlepšení plnění válce (tím i výkonu motoru) se prodlužuje doba otevření sacího(ch) ventilu(ů) ze 180 0

úhlu kliky (odpovídá to zdvihu pístu) až na 2400 úhlu kliky, někdy i více.

V okamžiku, když se otevře sací ventil těsně před HÚ (píst ještě nedosáhl HÚ) vznikne od proudících výfukových plynů výfukovým ventilem podtlak, který nám umožní, že nasávaná směs nebo vzduch začne do válce proudit i proti pohybu pístu do HÚ.

Dále pokud necháme sací ventil otevřený až za DÚ, tak může směs nebo vzduch v důsledku své setrvačné hmotnosti až na 100 m.s-1 (360 km.hod-1), dále proudit do válce. Tento efekt přeplňování musí být ukončen dříve než by došlo k tomu, že síla od tlaku dna pístu, který se již vrací do HÚ přemohla vtékající směs nebo vzduch.

I přes prodloužení doby sání dosahuje účinnost plnění u nepřeplňovaných (atmosférických) motorů maximálně 80 %.

Stupeň plnění (účinnost plnění)

3

Překrytí ventilůV okamžiku přechodu (těsně před HÚ) od doby výfuku k době sání je otevřený jak sací, tak i výfukový ventil

Účinnost plnění je hmotnostní poměr skutečně nasáté směsi paliva a vzduchu v kg k teoreticky možnému (dokonalému) plnění válce směsí paliva a vzduchu v kg.

U vnitřní přípravy směsi je účinnost plnění poměr :

- účinnost plněníms – skutečně nasáté množství směsi (palivo-vzduch) nebo vzduchumt – teoreticky možné množství směsi nebo vzduchu, které lze nasát

U nepřeplňovaných (atmosférických) motorů je účinnost plnění 0,6 až 0,9 ( stupeň plnění 60 až 90 %), u přeplňovaných motorů je možný stupeň přeplňování 1,2 až 1,6 (stupeň plnění 120 až 160 %).

Plnění se může zlepšit – menším odporem při proudění a nižší teplotou válce :

- optimálně tvarované sací potrubí;- výhodný tvar spalovacího prostoru;- velké sací průřezy;- větší počet sacích ventilů na válec;- dobrým chlazením.

Plnění se zhoršuje :

- odporem proudění kolem škrtící klapky;- klesajícími dobami otevření ventilů při vysokých otáčkách;- nízkým tlakem (hustotou) vzduchu – na každých 100 m nadmořské výšky klesá výkon motoru o asi

1 %.

Kompresní poměr (stupeň komprese)

Vz – zdvihový objem [ccm]Vk – kompresní objem [ccm] Vm - objem celého motoru [ccm] Vm=Vz . i i – počet válců motoru

Tabulka porovnání kompresních poměrů

Kompresní poměr 1:7 1:9Koncový kompresní tlak 1 MPa 1,6 MpaMaximální spalovací tlak 3 MPa 4,2

MpaTlak při otevření výfukového ventilu 0,4

MPa 0,3 Mpa

Koncová kompresní teplota 4000 C 5000 C

Čím vyšší je kompresní poměr motoru, tím lepší je využití chemické energie přivedené v palivu a účinnost motoru.

Důvody vyšší tepelné účinnosti ( zvýšení výkonu) :

- vyšší teplota při kompresi – lepší a dokonalejší odpařování paliva;- vysokým stlačením se mohou spálené plyny rozpínat do velkého objemu – teplota výfukových plynů se

snižuje a tedy se výfukem ztrácí méně tepelné energie;- lepší vyprazdňování spálených plynů z menšího kompresního prostoru.

Se zvyšujícím se kompresním poměrem se zvyšuje kompresní teplota – velikost kompresního poměru je omezena teplotou samovznícení paliva.

4

δ=m s

m t

ε=V z+V k

V k

Geometrický kompresní poměr

U přeplňovaných motorů, kdy se do válce dostává již částečně stlačený vzduch je kompresní poměr nižší než u motorů nepřeplňovaných. Pohybem pístu nahoru a dolu ve válci se mění s objemem také tlak a teplota náplně válce.

Boyle – Mariottův zákon ( 17.stol. – franc. Fyzikové Boyle, Mariotte)

Při konstantní teplotě se mění objem a tlak ve válci v obráceném poměru.

Tzn. pokud se objem zmenší na osminu, tak se tlak zvýší na osminásobek

Převod jednotek

00 C = 273,15 K  0 K = - 273,150 C

Gay-Lussacův zákon (izobarická resp. Izochorická změna stavu plynu)

Pokud zahrneme do vztahu mezi objemem a tlakem teplotu zjistíme následující :

Zahřejeme-li plyn o 273 K, tak zvětší svůj objem na dvojnásobek, tzn. pokud zabráníme např. při kompresi rozpínání plynu, tak se tlak zdvojnásobí. Vzhledem k tomu, že dojde k odevzdání tepla i stěnám válce je konečný tlak nižší.

Závislost mezi měrným objemem, tlakem a teplotou udává obecně stavová rovnice ideálního plynu a plynová konstanta R.

Průběh spalování

Kyslík potřebný ke spalování je získán z nasávaného vzduchu. Protože vzduch obsahuje pouze 20 % kyslíku, musí k palivu přidat velké množství vzduchu. Dokonalému spalování je nutná teoretická potřeba vzduchu na 1 kg paliva asi 14,7 kg vzduchu tzn. že při hustotě vzduchu 1,29 kg/m3 je potřeba 12 m3 vzduchu.

5

Součin tlaku a objemu je konstantní p.V = const

Když se plyn při konstantním tlaku zahřeje o 1 K (10 C), tak zvětší svůj objem o 1/273.

Dokonalé spalování :

Chemická energie paliva se přeměňuje na tepelnou energii.

Vzduch O2, N, vzácné plynyPalivo C, H

C + O2 CO2 + tepelná energie2H2 + O2 2H2O + tepelná energie , produktem spalování bude oxid

uhličitý a voda

Pokud by nám ovšem vzduch scházel, bylo by k dispozici málo kyslíku, spalovala by se část uhlíku na oxid uhelnatý CO (jedovatý,těžší jak vzduch, bezbarvý plyn).

Nedokonalé spalování :

Pokud naopak bude k dispozici více vzduchu než je teoretické množství (14,7 kg) směs bude příliš chudá, dojde sice k dokonalému spalování ale protože je k dispozici malé množství paliva, které by se mohlo odpařovat, tak dojde k nedostatečnému ochlazování vnitřního prostoru válců a tím může docházet k přehřátí motoru.

Detonační spalování :

Tento jev může nastat v případě, že vedle zažehnutí zapalovací svíčkou, dojde k zažehnutí i od některé části válce tzv. samovznícení. Motor tzv.klepe.

Tento stav vede k velmi rychlému, nárazovému spalování, kdy se kulové plochy (čela) plamene pohybují vysokou rychlostí (300 až 500 m.s-1) a to vede k prudkému nárůstu tlaku.

Zvonivý (klepavý ) hluk v motoru vzniká jak bylo uvedeno výše nárazovými vlnami, které jsou vyvolány různými zážehovými jádry a rozkmitávají jednotlivé části motoru. Tento jev má za následek vyšší mechanické a tepelné zatížení klikového mechanismu, válce a hlavy a snížení výkonu motoru.

Příčiny detonačního spalování :6

C + O2 CO2 + tepelná energie2H2 + O2 2H2O + tepelná energie , produktem spalování bude oxid uhličitý a voda

2C + O2 2CO + tepelná energie

Kromě použití nevhodných paliv může být příčinou také:

a) příliš velký předstih zážehu, předčasný zážeh;b) nerovnoměrné rozdělení směsi ve válci;c) špatný odvod tepla způsobený např. usazeným karbonem nebo poruchou chladící

soustavy;d) příliš vysokým kompresním poměrem ( např.může být způsobeno použitím tenčího

těsnění pod hlavou válců motoru).

Klepání při akceleraci :

Objeví se při zrychlování automobilu s plným zatížení z nízkých otáček motoru. Příčinou v tomto případě je většinou použití paliva s nízkým oktanovým číslem a nesprávné nastavení předstihu.

Klepání při vysoké rychlosti :

Jde o jev, ke kterému dochází v horní oblasti otáček při plné zatížení. Příčinou je palivo s velmi nízkým oktanovým číslem. Vzhledem k hluku ve vozidle při těchto otáčkách motoru jej často ani nelze postřehnout. Může dojít k přehřátí motoru a také k zadření pístu či propálení jeho dna.

Samozápaly :

Dochází k nim od žhavých částí ve spalovacím prostoru motoru (válce) ještě před tím než dojde k zapálení směsi zapalovací svíčkou (nekontrolovaný předčasný zážeh).

Pracovní diagram ( diagram p – V)

Pracovní cyklus ve válci lze znázornit v závislosti tlaku ve válci na okamžitém objemu. Vztahy jsou dány zákony Boyle-Mariotta a Gay-Lussaca. Diagram znázorňuje ideální pracovní cyklus, ve kterém se v jednotlivých bodech obratu pístu DÚ a HÚ nemění objem během spalován, tzn. zůstává konstantní.

Spalování při stálém objemu: Rychlé spalování probíhá při konstantním objemu

Při ideálním spalování při stálém objemu se předpokládají následující podmínky:

- válec obsahuje čerstvou směs (žádné zbytkové plyny);- spalování směsi je úplné;- výměna obsahu válce (výplach) je beze ztrát;- nedochází k přechodu tepla z náplně do stěn spalovacího prostoru;- objem během spalování a ochlazování je konstantní;- spalovací prostor je dokonale těsný (ventily, pístní kroužky).

Průběh procesu :

12 Stlačení směsi paliva a vzduchu, zvýšení tlaku podle Boyle-Mariotta, žádý přívod tepla (izotermická změna, lépe adiabatická);

23 Spalování paliva a vzduchu, zvyšování tlaku podle Gay-Lussaca při konstantním objemu (izochorická změna), tzn.píst setrvává po krátkou dobu spalování v HÚ, přívod tepla;

7

34 Práce (rozpínání). Plyn se pod vysokým tlakem rozpíná a pohybuje směrem k DÚ, je opět dosaženo původního (výchozího) objemu. Žádný přívod tepla podle Boyle-Mariotta (změna izotermická, lépe adiabatická);

41 Chlazení. Pochod probíhá při konstantním objemu. Odvodem tepla klesá tlak, až je v bodu 1 opět dosažen výchozí tlak, Gay-Lussacův zákon (izochorická změna).

Získávání energie, ztráta energie

V diagramu plocha mezi body 1-2-3-4 (tzv. kladná plocha) udává získanou práci během pracovního cyklu.Plocha 1-4-5 udává tzv.ztracenou práci. Získaná práce by mohla být větší pokud by se výfukový ventil neotevíral v bodě 4, ale až v okamžiku kdy se plyny uvolní na výchozí tlak v bodě 5. V praxi to není možné neboť prodloužení expanze je spojeno i se zvětšením zdvihu. Zvýšením kompresního poměru se zvětšuje kladná práce.

Skutečný diagram p-V

Ve skutečnosti proces spalování při stálém (konstantním) objemu neprobíhá ideálně. Jak již bylo výše uvedeno, nelze dodržet všechny podmínky pro ideální průběh celého procesu. Skutečný průběh tlaku během procesu lze zachytit tlakovým (např. piezoelektrickým) snímačem a talkovým indikátorem na zkušební stolici u běžícího motoru a zobrazit jej např.na monitoru počítače. Větší odchylky od ideálního stavu, průběhu tlaku signalizují např.poruchy v nastavení motoru (tvorba směsi, nastavení předstihu, komprese apod.) a především také projevy detonačního spalování.

JAN.Z,ŽDÁNSKÝ,B.Automobily, příslušenství, 1. vydání Brno, Portál 2000 8

ISBN není uvedeno,schvalovací doložka MŠMT není uvedena

POŠTA,J.Opravárenství a diagnostika II, 1. vydání Praha 2002,ISBN 80-89073-88-2

GSCHEIDLE,R.Příručka pro automechanika,1.vydání Praha 2001,ISBN 80-85920-76-X

Časopis Automobil Revue Registrace MK ČR E 18159ISSN: 1211 – 9555

Časopis Autoexpert ISSN: 1211 – 2380

Neoznačené obrázky jsou autora

9