BRODSKI POGONSKI

STROJEVI

10. predavanje

IDEALNI I STVARNI PROCES U

MOTORIMA S UNUTARNJIM

IZGARANJEM

IDEALNI TERMODINAMIČKI PROCES MOTORA

Da se ne bi krivo shvatilo, idealni termodinamički proces motora nije ono čemu bi trebali težiti.

Idealnim ga nazivamo samo zato što smo ga idealizirali, kako bi si olakšali matematički

postupak za njegovu obradu. Kako ćemo kasnije vidjeti, on se razlikuje od stvarnoga procesa

motora.

Osnovne aproksimacije koje uvodimo za idealni proces motor su:

• Proces motora je zatvoreni termodinamički proces, što pretpostavlja da se masa radnog

medija ne mijenja (ni po količini ni po kemijskom sastavu). To je različito od stvarnoga

motora u kojemu se vrši izgaranje (promjena kemijskog sastava) i izmjena radnog medija

(promjena količine radnog medija pri ispuhu i usisu).

• Izgaranje i izmjena radnoga medija zamjenjuju se dovodom topline izvana i odvodom

topline iz procesa.

• Tijekom procesa kompresije i ekspanzije nema izmjene topline s okolišem (stjenkama), tako

da je kontrolni volumen izoliran od okoliša. Procesi kompresije i ekspanzije odvijaju se

adijabatski.

• Kako se ne mijenja kemijski sastav, eksponent adijabate je jednak za procese kompresije i

ekspanzije.

Idealni termodinamički procesi motora

Ottov proces Sabatheov proces

Seiligerov proces

Trinklerov proces

Dieselov proces

Dovod topline pri

V = const

Dovod topline pri

V = const i p = const

Dovod topline pri

p = const

V V V

p p p

Qdov xQdo

v

(1-x)QdovQdov

Qodv Qodv Qodv

x = 1 x = 0

Qodv

Sabatheov proces

Sabatheov proces udružuje u sebi karakteristike i Ottovog procesa i Dieselovog procesa.

On je od sva tri procesa najbliži stvarnom procesu u motoru.

V

p

xQdov

(1-x)Qdov

W

1

4

2

3 3’T

s

Qodv

W

3’

4

1

2

3

(1-x)Qdov

xQdov

V

p

xQdov

(1-x)Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’

Sabatheov proces

Stupanj djelovanja procesa

Stupanj djelovanja termodinamičkog procesa jednak je

omjeru dobivenoga rada i dovedene topline:

dov

odv

dov

odvdov

dov

TQ

Q

Q

QQ

Q

W

1

2

3

3

'3

2

3

1

4

2

1

3'323

14

11

1

11

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

TTcmTTcm

TTcm

pv

vT

1

1

2 T

T

2

3

T

T

3

'3

T

T 1

4

T

T

11

111

1

T

Idealni termodinamički procesi motora

Ottov proces Sabatheov proces Dieselov proces

11

111

1,

SabatheT

1,

11

OttoT

1

111

1,

DieselT

1 1

V V V

p p p

Qdov xQdo

v

(1-x)QdovQdov

Qodv Qodv Qodv

x = 1 x = 0

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 3275 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.0

11

111

1,

SabatheT

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 2231 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.5

11

111

1,

SabatheT

Omjer srednjeg tlaka procesa i početnog tlaka

Srednji tlak procesa je jednak radu procesa podijeljenom sa stapajnim volumenom.

Rad procesa predstavlja se površinom pravokutnika s azom jednakom stapajnom

volumenu, dok je visina pravokutnika jednaka srednjem tlaku procesa.

V

p

Qdov

Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’

W

psr

11

V

Q

V

Wp dovT

s

sr

ssr VpW

1111

Vp

Q

p

p dovTsr

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 3275 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.0

1111

Vp

Q

p

p dovTsr

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 2231 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.5

1111

Vp

Q

p

p dovTsr

Omjer srednjeg i maksimalnog tlaka procesa

Srednji tlak procesa predstavlja mjeru za rad procesa. Konstrukcija motora

determinirana je maksimalnim tlakom procesa, obzirom da se na njega projektiraju

nosivi dijelovi, ležaji itd. Interesantno je za zadani maksimalni tlak procesa dobiti čim

veći rad procesa.

V

p

Qdov

Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’

W

psr

33 pV

W

p

p

s

sr

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 3275 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.0

131 Vp

Q

p

p dovTsr

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 2231 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.5

131 Vp

Q

p

p dovTsr

Komentar:

Iz prijašnjih slika vidljivo je da je za zadani maksimalni tlak procesa najveći

postizivi rad onaj od Dieselovog procesa. Današnji dizelski motori ne rade u

potpunosti po Dieselovom procesu, ali mu se nastoje približiti.

Rezultati iz ovih prijašnjih dijagrama pokazuju zašto su upravo dizelski motori

preuzeli primat kod velikih motora, gdje iz ograničene konstrukcije trebamo dobiti

čim veću snagu motora.

REALNI PROCES MOTORA

Proces 4T motora

Stvarni i idealni proces prikazani su preklopljeni jedan preko drugoga. Najveća

odstupanja imamo tijekom izgaranja i izmjene radnoga medija.

U T-s dijagramu prikazan je samo visokotlačni dio procesa jer se tijekom izmjene radnoga

medija mijenja masa u cilindru motora.

V

p

+W

1

4

2

3 3’

s

T

W

3’

4

1

2

3

V

p

+W

1

4

2

3 3’

s

T

W

3’

4

1

2

3

-W

Proces 2T motora

Stvarni i idealni proces prikazani su preklopljeni jedan preko drugoga. Najveća

odstupanja imamo tijekom izgaranja i izmjene radnoga medija.

U T-s dijagramu prikazan je samo visokotlačni dio procesa jer se tijekom izmjene radnoga

medija mijenja masa u cilindru motora.

V

p

+W

1

4

2

3 3’

s

T

W

3’

4

1

2

3

-W

Proces izmjene radnoga medija kod 4T motora

Razlikujemo izmjenu radnoga medija kod motora sa slobodnim usisom i kod motora s

prednabijanjem. Rad izmjene radnoga medija je kod motora sa slobodnim usisom

negativan, dok kod motora s prednabijanjem može biti i pozitivan.

V

p

+W

-W

+W

+W

p

V

p0

pP

pT

Tlak iza puhala

Tlak pred turbinom

Atmosferski tlak

Mjerenje promjene tlaka u cilindru motora

(indiciranje)

Mehanički indikator

Uređaj se spaja na indikatorski pipac spojen na

cilindar motora. Valjak za papir se preko redukcije

povezuje na križnu glavu. Kazaljka na papiru

ispisuje p-V dijagram. Mjerilo tlaka ovisi o

krutosti izmjenjive opruge.

Nedostatak ovoga indikatora je u tome što mu je

vlastita frekvencija vrlo niska (oko 300 Hz), tako

da nije pogodan za točna mjerenja brzih procesa

kod srednjehodnih ili bržih motora. Ponegdje se

još koristi na sporohodnim motorima (sve manje)

Mjerenje promjene tlaka u cilindru motora

(indiciranje)

Uređaj za elektroničko indiciranje

koristi davače tlaka na bazi

piezoelektričkog efekta. Ti davači

imaju visoku vlastitu frekvenciju

(preko 20 kHz) te omogućuju

točno snimanje vrlo brzih promjena

tlaka. Signal iz pojačala se danas

vodi u A/D konverter za pretvorbu

analognog signala u digitalni

podatak radi pohranjivanja u

računalu

Kut koljena

Računalo

Indicirani tlak Pojačalo

naboja

Podaci o radnim parametrima

Više kanlno

mjerno

pojačalo

Brzi A/D

konverter s

buffer

memorijom

Različiti mjerni signali

Uređaj za indiciranje tlaka u cilindru motora i druga mjerenja

pomoću elektroničkog računala

PODACI KOJI SE DOBIVAJU IZ INDICIRANE PROMJENE

TLAKA U CILINDRU MOTORA

Iz podataka indiciranja tlaka u cilindru motora dobivamo sljedeće vrijednosti:

• p-V i log p – log V dijagrami,

• Indicirani rad procesa,

• Indicirana snaga motora,

• Srednji indicirani tlak,

• Maksimalni tlak procesa,

• Prva i druga derivacija tlaka po kutu koljena,

• Promjena temperature u cilindru motora,

• T-s dijagram za visokotlačni dio procesa,

• Zakon oslobađanja topline (tijek izgaranja) i krivulja dovedene topline.

Razvijeni snimljeni indikatorski

dijagram (VUT Brno)

Indicirani p-V dijagram

promjene tlaka u cilindru

(VUT Brno)

Promjena temperature radnog

medija u cilindru motora

Zakon oslobađanja topline

(brzina izgaranja) za Ottov motor

Nakon ubrizgavanja goriva zraku u cilindru

se oduzima toplina potrebna za isparavanje

goriva. Tu je krivulja ispod nul-linije.

Upaljivanjem gorive smjese dolazi do

oslobađanja topline i krivulja je svo vrijeme

iznad nul-linije.

Krivulja dovedene topline

izgaranjem goriva

Naznačena su mjesta početka ubrizgavanja

(0%) i završetka izgaranja (100%)

INDICIRANA I EFEKTIVNA SNAGA

MOTORA

STUPNJEVI DJELOVANJA

INDICIRANA I EFEKTIVNA SNAGA MOTORA

Snaga (rad u jedinici vremena), koju su plinovi predali klipovima

motora, naziva se indicirana snaga.

Snaga, koju motor predaje potrošaču na svojoj spojci, naziva se

efektivna snaga.

Indicirana snaga je veća od efektivne snage za snagu mehaničkih

gubitaka na putu od klipova do spojke motora.

Indiciranu snagu dobivamo iz podataka indiciranja tlaka u cilindru

motora. Efektivnu snagu dobivamo mjerenjem snage na kočnici

motora.

MEHANIČKI GUBICI MOTORA

Mehaničke gubitke motora čine dvije skupine gubitaka:

• Gubici zbog trenja među dijelovima motora (trenja u ležajima motora, na

kliznim površinama, aerodinamičko trenje itd.)

• Gubici zbog pogona pomoćne opreme motora (pogon rashladne pumpe, pumpe

ulja za podmazivanje, sustava za ubrizgavanje goriva, pogon ventila, pogon

električnog generatora, pogon klima jedinice itd.)

Kada je spojka motora otkopčana, efektivna snaga motora je jednaka nuli. Tada

motor svojim radom pokriva samo mehaničke gubitke.

KOČENJE MOTORA

Efektivna snaga motora može se izmjeriti kočenjem. Moment kočenja

pomnožen s kutnom brzinom dati će efektivnu snagu motora, tj. Snagu koju

motor predaje na svojoj spojci, odn. zamašnjaku.

nFRMPef 2

Na kočnici se moment mjeri tako da se na kraku radiusa R mjeri sila reakcije F.

Na slobodnom kraju vratila kočnice mjeri se brzina vrtnje n. Da bi se

izračunavanje snage olakšalo, često se koristi takav radius kraka R da se to

omogući:

kW60

min2mkN

-1nRFPef

Za R/30 = 1/10 dobivamo da je R = 3, odnosno R = 0.955 m. Formula za

izračunavanje snage je tada:

kW

10

minkN -1nFPef

n

F Motor

Kočnica

Brzina vrtnje na rotoru kočnice

Sila reakcije na

kućištu kočnice

R

Kućište kočnice se izvodi tako da se može zakretati za jedan ograničeni

kut na svojim osloncima, kako bi se mogla mjeriti sila reakcije zbog

momenta kočenja.

Ako se za kočenje koriste kočnice s trenjem (mehaničkim, hidrauličkim ili

s vrtložnim strujama), sva efektivna snaga motora se pretvara u toplinu,

koju treba odvesti rashladnom vodom za hlađenje kočnice. Ako koristimo

električni generator za kočenje, dobivenu električnu energiju možemo

koristiti na neki pogodni način.

Danas se prednost daje električnim kočnicama s asinhronim generatorom

koji može raditi u generatorskom i u motornom području. Takva kočnica

nam omogućuje da kočimo motor ili da ga guramo (kao što npr. vozilo pri

kočenju svojom inercijom ili na nizbrdici gura motor vozila). Primjenom

ovakvih kočnica s upravljanjem pomoću računala, moguće je na samoj

kočnici ispitati uvjete rada motora pri pogonu vozila (npr. simulacije

vožnje Formule 1 na trkaćoj pisti ili teretnog vozila s različitim

stupnjevima prijenosa mjenjača)

EFEKTIVNI PODACI MOTORA

EFEKTIVNI PARAMETRI MOTORA

Efektivna snaga motora:

Srednji efektivni tlak:

Efektivni moment motora:

Specifična efektivna potrošnja goriva:

npKn

zVpt

WP efsrsefsr

ef

ef ,1,

2

s

ef

efsrVnz

Pp

2,

efsrsefsrsefsr

ef

ef pKz

Vpn

nzVp

PM ,2,,

2

2

ef

g

eP

mb

dgefef HmP

defdgef

g

ef

g

eHHm

m

P

mb

1

MJ/kg

6.3

J/MJ10MJ/kg

1

kW1

W1000

h1

s3600kg/kWh

6

defdef

eHH

b

SNAGA MOTORA

Nazivna snaga Pn je proračunska efektivna snaga koju motor može trajno davati. Brzina vrtnje

motora koja odgovara nazivnoj snazi naziva se nazivna brzina vrtnje. Vrijeme rada

motora na nazivnoj snazi ograničeno je propisima proizvođača.

Maksimalna snaga Pmax je najveća dopustiva efektivna snaga kojom možemo kratkotrajno

opteretiti motor (110 - 120% Pn). Trajanje preopterećenja je vremenski ograničeno,

obično na 1 sat svakih 12 sati rada motora.

Maksimalna trajna snaga (MCR) je najveća efektivna snaga pri kojoj motor može trajno raditi

bez vremenskog ograničenja. Obično ona iznosi 85 - 90% Pn. Brzina vrtnje za tu snagu

je nMCR.

Ekonomična snaga Pek je trajna snaga pri kojoj se postiže najmanja specifična potrošnja goriva i

iznosi 75 - 80% Pn.

Minimalna snaga Pmin je snaga koju motor može razviti pri minimalnoj, još stabilnoj brzini vrtnje.

PROPISI ZA SNAGU MOTORA

Vozilska snaga motora (DIN 70020) je snaga na spojci motora koji je serijski opremljen sa svom

opremom, uključujući usisni i ispušni cjevovod, pri danim uvjetima okoline: p0 = 101.3

kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna vlaga se zanemaruje.

Trajna snaga motora (DIN 6270, snaga A) je maksimalna snaga s kojom motor može trajno raditi

uz mogućnost kratkotrajnog preopterećenja za 10% u trajanju 1 sat svakih 12 sati rada.

Snaga se mjeri pri zadanim uvjetima okoline: p0 = 98 kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna

vlaga = 60%.

Trajna snaga motora (DIN 6271, snaga B, ISO 3046) je maksimalna trajna snaga s kojom motor

može raditi bez mogućnosti preopterećenja. Snaga se mjeri pri zadanim uvjetima

okoline: p0 = 98 kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna vlaga = 60%, temperatura rashladne

vode Trv = 300 K (27 oC).

Maksimalna trajna snaga brodskih motora (MCR) je maksimalna trajna snaga s mogućnosti

kratkotrajnog preopterećenja. Mjeri se kod zadanih uvjeta okoline: p0 = 100 kPa, T0 =

318 K (45 oC), relativna vlaga = 60%, temperatura rashladne vode Trv = 305 K (32 oC).

UTJECAJ UVJETA OKOLINE (ISO 3046)

Visinski položaj (tlak zraka). Povećanjem visine, na kojoj se motor koristi, smanjuje se gustoća

zraka, a time i snaga motora (za oko 1% svakih 100 m nadmorske visine iznad 500 m)

Temperatura. Povećanjem temperature smanjuje se gustoća zraka, a s njom i snaga motora (za

oko 3% svakih 10 oC povećanja temperature)

Vlaga u zraku. Povećanjem relativne vlage smanjuje se sadržaj kisika po masi i raste sadržaj vlage

koja će sniziti maksimalnu temperaturu procesa. Kod dizelskih motora se obično

zanemaruje utjecaj vlage.

Preračunavanje snage na nove uvjete okoline vrši se prema propisima ISO 3046.

Ottov motor za osobno vozilo

Dizelski motor za teretno vozilo

Univerzalni dijagrami motora s ucrtanim izolinijama jednake specifične

potrošnje goriva

Ovisnost djelotvornih pokazatelja

motora o brzini vrtnje pri radu motora s

propelerom

3

3 nKPef

TOPLINSKA BILANSA MOTORA

Energija dovedena

gorivom 100%

Mehanička

energijaToplinska

energija

Mehanički

rad 40%

Pogon

ventilatora

2%

Toplina ispušnih

plinova 30%

Toplina odvedena

rashladnom

vodom 24%

Toplina predana

zračenjem i

konvekcijom na

okoliš 4%Primjer bilanse topline za 4T dizelski motor

za teretno vozilo