Motor. Rozdělení spalovacích motorů: Podle způsobu tvoření a zapálení směsi:

Transkript

1 Motor Motor je hnací jednotka motorového vozidla, která spalováním paliva přeměňuje chemickou energii obsaženou v palivu na teplo, které koná mechanickou práci. Ta se přenáší na pojezdová kola motorového vozidla a je příčinou pohybu vozidla. Rozdělení spalovacích motorů: Podle způsobu tvoření a zapálení směsi: Podle používaného paliva: - zážehové směs vzduchu s palivem - benzínové jsou motory zážehové (nejčastěji benzín) je připravována obvykle - naftové jsou motory vznětové mimo pracovní prostor válce a ve válci je - petrolejové jsou motory zážehové zažehována cizím zdrojem - plynové jsou rovněž zážehové, jejich - vznětové - směs je připravována palivem může být např. propan-butan v pracovním prostoru válce vstřikováním kapalného paliva do silně stlačeného Podle způsobu práce: a ohřátého vzduchu. Tímto tzv. kompresním - čtyřdobé potřebují pro jeden pracovní teplem také dochází ke vznícení paliva, cyklus 4 zdvihy pístu, tj. 2 otáčky nejčastěji motorové nafty klikové hřídele - dvoudobé potřebují pro jeden Podle uspořádání válců: pracovní cyklus 2 zdvihy pístu, tj. jednu - řadové otáčku klikové hřídele - s válci do V vidlicové - ploché (ležaté) s protilehlými válci Podle pohybu pístu: - hvězdicovité u leteckých motorů - s přímočarým vratným pohybem pístu - s rotačním pohybem pístu Podle přípravy zápalné směsi: - karburační Podle plnění válců: - vstřikové - s nasáváním - přeplňované Podle polohy válců: - stojaté Podle způsobu chlazení: - ležaté - kapalinou - šikmé - vzduchem 167

2 Pístový spalovací motor konstrukce, hlavní rozměry, konstrukční parametry: Hlavní výpočty: Zdvih pístu: z = 2.r (m;-,m) Zdvihový objem válce: 2 π. D V Z =. z (m 3 ;-,m,-,m) 4 Celkový objem válce: V C = V Z + V K (m 3 ;m 3,m 3 ) Zdvihový objem motoru: V ZM = V Z. i (m 3 ;m 3,-) i počet válců motoru Celkový objem motoru: V CM = V C. i (m 3 ;m 3,-) z z Podle poměru zdvihu pístu a vrtání válce : - z > D; 1 nadčtvercový motor D D z - z = D; = 1 čtvercový motor D - z < D; z 1 podčtvercový motor D Příklad 1. Motor má vrtání válce φd = 72 mm. Jedná se o čtvercový čtyřválcový motor. Kompresní poměr motoru je 8,5. Vypočtěte: a) zdvihový objem jednoho válce V Z b) zdvihový objem motoru V ZM c) poloměr zalomení kliky klikového hřídele r d) kompresní objem válce V K e) kompresní objem motoru V KM (motor Š120) 2. Motor nákladního automobilu TATRA vrtání x zdvih (mm) 120x130 mm. Jedná se o dvanáctiválec s kompresním poměrem 16,5. Vypočtěte: a) poloměr zalomení kliky klikového hřídele r b) zdvihový objem válce V Z c) zdvihový objem motoru V ZM d) kompresní objem válce V K e) kompresní objem motoru V KM f) podle poměru z:d stanovte o jaký typ motoru se jedná (TATRA 813 NT 4x4) 168

3 Činnost pístového spalovacího motoru: 1. Motory s přímovratným pohybem pístu čtyřdobé: a) zážehový: 169

4 b) vznětový: U čtyřdobých motorů proběhne jedna doba za půl otáčky klikového hřídele, celý pracovní cyklus (sání, stlačení, výbuch, výfuk) za dvě otáčky klikové hřídele motoru. 170

5 2. Motory s přímovratným pohybem pístu dvoudobé: Celý pracovní cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele motoru. Práce motoru se odehrává v prostoru nad i pod pístem, z toho vyplývá, že i spodní část motoru kliková skříň musí být hermeticky utěsněná. V klikové skříni nesmí být ani zásoba motorového oleje. Tyto motory jsou mazány mastnou směsí (do paliva se přidává motorový olej, který namaže a spálí se s palivem), nebo je použit mazací systém s dávkovacím čerpadlem oddělené mazání. a) zážehový: Výměna obsahu válců je většinou řízena pístem a kanály ve stěně válce. Proto není nutný samostatný rozvodový mechanizmus., jaký se používá u čtyřdobých motorů. Pracovní cyklus dvoudobého motoru tvoří sání, komprese (stlačení), expanze (výbuch) a výfuk. U čtyřdobého motoru probíhá pracovní cyklus pouze ve válci motoru během čtyř zdvihů pístu, to je dvou otáček klikové hřídele. Aby se u dvoudobého motoru omezil celý pracovní cyklus jen na dva zdvihy pístu, to je na jednu otáčku klikové hřídele, musí cyklus probíhat ve válci nad pístem a v klikové skříni pod pístem. Kliková skříň tvoří společně s dolní částí válce a spodní stranou pístu plnící dmychadlo a proto musí být utěsněna. Původně byla tato konstrukce motoru odvozena od dvojčinného parního stroje a je historicky starší než čtyřdobý motor. Protože se u dvoudobých motorů používají k výměně obsahu (vyplachování) válce tři druhy kanálů, nazývají se také tříkrálové dvoudobé motory. Počet vyústění jednotlivého druhu kanálu se přitom nebere v úvahu. Tříkanálový dvoudobý motor: Má sací kanál, výfukový kanál a obvykle zdvojený přepouštěcí kanál, to je dva kanály, které leží proti sobě. sací kanál vychází od karburátoru a vede ke klikové skříni přepouštěcí kanál spojuje klikovou skříň se spalovacím prostorem ve válci motoru výfukový kanál vychází od spalovacího prostoru ve válci a ústí do výfukové soustavy Jednoduchý dvoudobý motor má otevřené vyplachování (výměnu obsahu)) válců. To znamená, že ústí výfukových a přepouštěcích kanálů jsou po určitou dobu výplachu válců otevřena současně. Naproti tomu čtyřdobý motor má, nebereme-li v úvahu krátké překrytí ventilů, uzavřenou výměnu obsahu válců. U jednoduchého dvoudobého motoru je proto nevyhnutelné, že na jedné straně dochází ke směšování čerstvé náplně se starou (výfukovými plyny) a na druhé straně ke ztrátám čerstvé náplně (vzduchu nebo směsi). 171

6 Způsob práce tříkrálového dvoudobého motoru: 1. zdvih, úhel pootočení kliky : Píst se pohybuje od DÚ k HÚ Pochody v klikové skříni motoru: Poté, co píst uzavře vyústění přepouštěcího kanálu, vzniká v klikové skříni následkem zvětšování prostoru podtlak 0,02 0,04 MPa. Tento pochod se někdy nazývá předběžné sání. Sání: Jakmile spodní hrana pístu otevře vyústění sacího kanálu, začne vlastní sání vzduchu nebo směsi vzduchu a paliva. Pochody ve válci motoru: Komprese: Poté, co píst uzavře vyústění výfukového kanálu, začne ve válci stlačování vzduchu, nebo směsi vzduchu a paliva. Krátce před HÚ dojde k zážehu. 2. zdvih, úhel pootočení kliky : Píst se pohybuje od HÚ k DÚ Pochody ve válci motoru: Expanze: Při expanzi (rozepínání) působí tlak spalovaných plynů pohyb pístu z HÚ k DÚ. Pochody v klikové skříni motoru: Poté, co píst uzavře vyústění sacího kanálu, začíná předběžné stlačování vzduchu nebo směsi paliva a vzduchu na přetlak asi 0,03 0,08 MPa. Výměna obsahu (výplach) válců: (pochody pod a nad pístem) Při přechodu k dalšímu pracovnímu cyklu probíhá výplach válců. Doba expanze: Horní hrana pístu uvolní trochu výše položené vyústění výfukového kanálu a výfukové plyny odcházejí do výfukové soustavy. Poté se otevře vyústění přepouštěcího kanálu a předběžně stlačený vzduch nebo směs paliva a vzduchu proudí z klikové skříně do válce, přičemž odtud vytlačuje zbylé výfukové spaliny. Tomuto procesu se proto také říká vyplachování. Vlivem počátečního dynamického tlaku ve výfukové soustavě se zbytkové spaliny při otevření přepouštěcího kanálu nejdříve vrací směrem ke klikové skříni, což zvyšuje tlak předběžného stlačení 0,03 MPa na vyplachovací tlak asi 0,08 MPa. Když píst při svém pohybu k HÚ uzavře hranou svého dna nejdříve přepouštěcí kanál a poté kanál výfukový, je průběh vyplachování ukončen. 172

7 Proces vyplachování (vratné vyplachování): U běžného vratného vyplachování je přepouštěcí kanál s vyústěním vpravo a vlevo od ústí výfukového kanálu. V plášti pístu je otvor sloužící k odkrývání vstupu do přepouštěcího kanálu. Toto vyplachování se nazývá také tříproudové vyplachování. Vyplachovací proudy jsou vedeny z přepouštěcích kanálů ležících šikmo k ose válců, ke stěně válců ležící naproti výfuku. Zde se obracejí, setkávají a vytlačují zbylé spaliny do výfukového kanálu. b) vznětový: Je ještě používán u velkých motorů, např. lodních motorů. Používá se také u velmi malých motorů, např, pro modely letadel apod. - jednoduchá konstrukce - horší plnění (velké ztráty při výplachu) - vysoký objemový výkon - vyšší emise škodlivin ve výfuku - nižší výrobní náklady - vyšší tepelné zatížení 3. Rotační pístové motory: (vynalezl jej Felix Wankel v roce 1954) U běžných pístových motorů se přímočarý vratný pohyb pístu musí ojnicí převést na otáčivý (ratační) pohyb klikové hřídele. U rotačního pístového motoru je píst ve skříni otočný a excentrickým mechanizmem se jeho otáčivý pohyb převádí na otáčivý pohyb výstupní hřídele motoru. Protože práce expandujících plynů přímo působí otáčivý pohyb, je přenos energie jednodušší, přičemž těžiště rotujícího pístu opisuje kruhovou dráhu. Odpadnutím zrychlení a zpomalení hmot při vratném pohybu se docílí oproti běžnému pístovému motoru vyššího výkonu. Konstrukce: 173

8 Vnitřní pracovní plocha skříně motoru má tvar epitrochoidy. Soustředně ke středu skříně je pastorek, spojený s bočním víkem. Otvory bočních vík skříně prochází výstupní výstředníková (excentrická) hřídel na jejichž výstřednících jsou rotační písty (rotory). Těsnícími prvky je rotor utěsněn proti epitrochoidální skříni i bočním víkům. Na jedné straně má píst vnitřní ozubení, které zabírá do pevného pastorku na bočním víku a odvaluje se po něm. Tímto ozubením se nepřenáší žádná síla, slouží pouze k vedení rotoru (pístu) vůči statoru (skříni), jehož pohyb je tím vždy ve správné fázi k výstupní hřídeli i skříni. Počet zubů pevného pastorku a vnitřního ozubení pístu (korunové kolo) je v poměru 2:3. Píst a výstupní hřídel se otáčí stejným směrem, ale otáčky pístu jsou nižší ( 1 / 3 ) než otáčky hřídele. Rotor píst se vůči hřídeli zpožďuje o 2 / 3 při každé otáčce. Činnost: Rotační pístový motor je tříkomorový tepelný stroj, jehož komory (pracovní prostory) jsou např. označeny 1,2 a 3. Při otáčení pístu se objemy komor pravidelně zvětšují a zmenšují. Ve všech třech komorách probíhá postupně za 3 otáčky výstupní hřídele vždy jeden čtyřdobý pracovní cyklus; sání, komprese, expanze, výfuk. Když se píst točí doleva, probíhá v komoře 1 sání směsi paliva a vzduchu (a,b,c,d). V komoře 2 probíhá současně komprese (a,b,c). Na konci komprese dochází k zážehu (c). Poté tlakem rozpínajících se plynů v komoře 2 se koná užitečná práce a píst uložený výstředně (excentricky) na výstupní hřídeli se otáčí doleva (c,d). Píst se přitom opírá svým vnitřním ozubením o pastorek pevně spojený s boční částí a přenáší sílu rozpínajících se plynů přes excentr jako točivý moment na výstupní hřídel. Výstředníková výstupní hřídel tak plní úlohu klikové hřídele u běžného pístového motoru s přímočarým vratným pohybem pístu a klikovým mechanismem. V komoře 3 probíhá zároveň expanze (výbuch) (a), poté dochází k výfuku (b,c,d). Zatímco se střed excentru ( ) otáčí o 270 doleva (úhel α), strana pístu A-B se pohybuje jen o 90 ve směru otáčení (úhel β). Na 3 otáčky výstupní hřídele připadá tedy pouze jedna otáčka pístu se třemi pracovními dobami. To znamená, že píst rotuje pouze s třetinou otáček výstupní hřídele, nebo-li zpožďuje se vůči ní o dvě třetiny. Tím, i při vysokých otáčkách výstupní hřídele, je velmi nízké 174

9 opotřebení těsnících prvků, skříně a bočních vík. Jako otáčky motoru se samozřejmě uvádějí otáčky výstupní výstředníkové (excentrické) hřídele. - velmi klidný chod - vyšší spotřeba paliva a oleje - menší počet dílů menší hmotnost - nákladné těsnění rotačního pístu - vhodný pro provoz s alternativními palivy - nevhodný tvar spalovacího prostoru Motorová paliva: Paliva: Jsou chemické látky, které se skládají ze směsi sloučenin uhlovodíků a liší se stavbou molekul. Stavba a velikost molekuly i vzájemný číselný poměr atomů vodíku a uhlíku podstatně určují chování paliva při spalování v motoru. Jako palivo se může používat i čistý vodík. Stavba: Molekuly uhlovodíků mají buď řetězcovou nebo cyklickou stavbu. Molekuly s jednoduchou řetězcovou stavbou jsou velmi vznětlivé a snadno hoří. Tím dochází u benzínových motorů k detonačnímu hoření (klepání). V dieselových motorech dochází u vznětlivých uhlovodíků k dokonalému spalování bez detonačního hoření. Molekuly s bočními řetězci nebo s cyklickou stavbou nejsou tak vznětlivé. V benzínových motorech jsou odolné proti detonačnímu hoření a v dieselových motorech jsou vzhledem ke zpoždění zážehu k němu náchylné. Výroba: Nejdůležitější výchozí surovinou pro výrobu paliv a dalších organických sloučenin je ropa. Tento chemický nositel energie vznikl podle dnešních předpokladů během miliónů let rozkladem odumřelých a potopených mořských živočichů, nepřímých akumulátorů sluneční energie. Všechny uhlovodíky obsažené v ropě se nehodí jako motorové benzíny, popřípadě motorová nafta. Větší část se musí přeměnit chemickými postupy. Výroba koncových produktů probíhá dvěma postupy v rafinériích: 1. oddělování, například destilace, filtrace 2. přeměna, například krakování,reformování 175

10 Oddělování, destilace ropy: Ropa se za nepřítomnosti vzduchu zahřívá. Ze složek, které se destilují v oblasti do 180 C vznikají při kondenzaci lehká paliva, především benziny, které se skládají z uhlovodíků s rovným řetězcem nebo s cyklickou vazbou. Oblast od 180 C do asi 280 C poskytuje středně těžká paliva (kerosin neboli letecký petrolej), oblast od 210 C až asi do 360 C těžká paliva pro dieselové motory (nafta, plynový olej). Při ještě vyšších teplotách se získávají mazací oleje; nakonec zbyde asfalt (bitumen). Toto soustřeďování paliv podle jejich oblastí varu se nazývá také frakční destilace. Podíl benzínu získaného při normální destilaci je pro současnou potřebu velmi malý; tento benzín je s oktanovým číslem také velmi málo odolný proti detonačnímu hoření. Je to takzvaný přírodní benzín. Proto byly vyvinuty postupy, kterými se podstatně zvyšuje využití ropy na benzínová paliva a současně se vyrábí benzín, který není tak náchylný k detonačnímu hoření (tab.1). Krakováním vyrobená paliva ještě nejsou dostatečně odolná proti detonačnímu hoření. Benzínová paliva se proto míchají ze složek krakování uvedených v tabulce 1 a dalších přeměňovacích postupů (tab.2), aby se docílilo potřebných vlastností, například odolnost proti detonačnímu hoření (OČ) a destilační křivky. Tak vzniká takzvaný syntetický benzín. Další zpracování: Takto vyrobené benzíny, které jsou poměrně odolné proti detonačnímu hoření, se dále ještě rafinují. Přitom se zvyšuje čistota benzínu (oddělování plynných zbytků, síry a pryskyřičných roztoků) a přísadami (aditivy) se dále odstraňuje sklon k usazování, zbarvování, zamrzání, detonačnímu hoření a korozi. 176

11 Vlastnosti benzínových paliv: 1) Výhřevnost paliva: Je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1 kg paliva. Čím větší výhřevnost palivo má, tím méně se jej spotřebuje. Benzín má výhřevnost J.kg -1. Důležitá je výhřevnost zápalné směsi, která je (3,8 4,2) J.kg -1. 2) Odpařitelnost paliva: Je schopnost paliva přeměňovat se v páry. Do teploty 100 C se má odpařit nejméně 32% objemu paliva, aby motor bezpečně naskočil i při studeném startu v zimě. Do 180 C by mělo být asi 90% paliva zplyněno, aby se pokud možno zabránilo zředění mazacího oleje nezplyněným palivem. Paliva špatně odpařitelná smývají olejový film i ze stěn válců a motory se špatně spouštějí. Lehko odpařitelná paliva způsobují, že se palivo začne odpařovat už v sacím potrubí motoru. Zplynovatelnost paliva se znázorňuje destilační křivkou. 3) Výparné teplo: Je množství tepla potřebné k odpaření 1 kg kapalného paliva. Platí: čím větší výparné teplo paliva, tím se motor s tímto palivem hůř spouští. 4) Odolnost proti klepání detonačnímu hoření: Detonační hoření u benzínových motorů vzniká samozápaly v motoru. Při něm se zhoršuje spalování paliva, snižuje se výkon motoru a ústrojí motoru trpí tvrdými rázy. Vysoká teplota samozápalu benzinového paliva odpovídá vysoké odolnosti proti klepání. Ukazatelem odolnosti proti detonačnímu hoření je oktanové číslo benzínu. OČ: - je procentuální podíl izooktanu (OČ = 100) ve směsi s normálním heptanem (OČ = 0) u takzvaného srovnávacího paliva. (př.: OČ = 95 => 95% izooktanu, 5% normálního heptanu) Oktanové číslo daného paliva se zjišťuje v cejchovacím motoru (proměnlivý kompresní poměr) porovnáním se srovnávacím palivem (směsí izooktanu a normálního heptanu). Cejchovací motor pracuje na dané zkoušené palivo; při určitých otáčkách se zvyšuje kompresní poměr tak dlouho, až dojde k detonacím. Potom se nechá motor pracovat na směs izooktanu s normálním heptanem, jejíž složení se mění, až při daném kompresním poměru bude mít motor stejné detonace. Bylo-li například ve směsi 70% izooktanu a 30% normálního heptanu, bude mít zkoušené palivo oktanové číslo 70. Oktanová čísla paliv jsou různá; přírodní benzíny mají nižší oktanové číslo, benzíny krakované a syntetické číslo vyšší. Dříve se u nás používaly automobilové benzíny pod značkami Normál 80, Speciál 90 a Super 96. Oktanové číslo se zvyšuje jednak změnou skladby paliva, jednak přísadami antidetonátorů. Bezolovnatý benzín: Vozidla s katalyzátorem vyžadují bezolovnatý benzín. Při použití olovnatého benzínu by sloučeniny olova, obsažené ve výfukovém plynu postupně pokryly povrch katalyzátoru 177

12 a znemožnily by přeměnu škodlivých výfukových plynů na neškodlivé. Proto je obsah olova v takzvaném bezolovnatém benzínu omezen na 13 mg/l. S poklesem obsahu olova značně klesá i oktanové číslo paliva. Je proto nutné získat již při výrobě paliva více podílů odolných proti detonačnímu hoření reformováním, polymerací a alkylací a přidat je k bezolovnatému benzínu. Potřebné oktanové číslo se ale získá teprve přidáním prostředků proti detonačnímu hoření (antidetonátorů). Druhy antidetonátorů: a) Antidetonátory s obsahem kovu: - kvůli jedovatým produktům spalování (olovo, scavengers = sloučeniny brómu a chlóru) se tyto antidetonátory většinou již nepoužívají. b) Antidetonátory bez obsahu kovu: - antidetonátory jako benzen, toluen, xylen mají oktanové číslo OČ a přimícháním zvyšují celkové oktanové číslo paliva. Benzen je kvůli rakovinotvornému účinku omezen na 5 obj. %. V průměru obsahuje benzín označovaný u nás jako Natural 91 2 obj. % benzenu, Natural 95 pak 1 obj. % benzenu. c) Organické sloučeniny kyslíku jako antidetonátory: - alkoholy (metanol, etanol), fenoly, éter mají tu nevýhodu, že se v palivu těžko rozpouštějí, mají nepříjemný zápach a jsou méně ekonomické kvůli menšímu obsahu energie. d)mtb (metylterciální butyléter): - svým vysokým oktanovým číslem OČ může značně ovlivnit celkové oktanové číslo benzínu. K palivu se ho přidává cca 10 15%. Benzinová paliva mají bod vzplanutí pod 21 C a spadají tedy do skupiny A, třída ohrožení I (nejvyšší třída ohrožení). Vlastnosti Dieselových paliv: Motorová nafta se jako palivo používá pro vznětové motory. Je to směs kapalných uhlovodíků vroucích převážně mezi 150 C až 360 C. Zapaluje se vstřikováním paliva do vzduchu ohřátého předchozí kompresí nad zápalnou teplotu paliva. a) Odolnost proti detonacím: Motorová nafta se má vznítit okamžitě, aby doba mezi vstřikem a vznícením byla co nejkratší (prodleva vznícení). Čím delší je prodleva, tím horší je běh motoru; motor jde tvrdě. Účinky tvrdého běhu motoru jsou pro vznětové motory stejně škodlivé jako klepání pro motory zážehové. Kvalitu paliva pro vznětové motory vyjadřuje cetanové číslo nafty. Uhlovodík cetan (C 16 H 34 ), který má nejkratší dobu vzplanutí, dostal cetanové číslo 100. Uhlovodík alfametylnaftalén (C 19 H 7 CH) dostal číslo 0, protože se vzněcuje tak špatně, že se jako palivo pro vznětové motory absolutně nehodí. Množství cetanu ve srovnávacím palivu se mění tak dlouho, až se zjistí intenzita tvrdého běhu jako u zkoušeného paliva. Procento cetanu ve srovnávacím palivu je pak cetanovým číslem zkoušeného paliva. Cetanové číslo pro naftu musí činit aspoň 45. Současná paliva obsahují CČ b) Viskozita nafty (tuhost): Je to určitá míra vnitřního tření kapaliny. Nafta, která nemá dostatečnou viskozitu, nezajišťuje mazání a těsnění vstřikovacího čerpadla. Jednotka Pa.s, cts. c) Bod tuhnutí: Je to teplota, při které nafta ztrácí tekutost. Nafta při nízkých teplotách vytváří krystaly alkanů (parafínů), které od určité velikosti již nemohou protékat palivovým filtrem. Filtr se ucpe a motor přestane postupně běžet. Krystaly alkanů lze rozpustit pouze teplem, např. montáží topení do filtru. Snížit bod tuhnutí u nafty lze přidáním aditiv, které nezabrání vylučování alkanů, ale zpomalí jejich růst. 178

13 Aditiva: - benzín (až 30%), se zlepší chování zastudena (sníží se bod vzplanutí nebezpečí!) - petrolej (až 50%) V ČR se vyrábí dva druhy nafty: typ A MN - 4 (BT -4 C), typ B MN 22 (BT -22 C). Pomocí přípravků Dieselex a Naftex lze zvýšit bod tuhnutí až na -29 C. Pro zvláštní účely se vyrábí nafta MN 30 a MN 35. d) Chemická stálost: Je dána číslem kyselosti, obsahem sirných sloučenin a nenasycených uhlovodíků v naftě. Podíl síry v naftě maximálně 0,15 obj%. Bionafta: Vyrábí se z řepkového oleje. Pozor: je hygroskopická (pohlcuje vodu), působí na laky jako rozpouštědlo a měla by být při kontaktu s lakem ihned odstraněna. Při spalování vzniká méně oxidu uhelnatého, než u běžné nafty. Spalování kapalných paliv: Tepelné pochody: Ve válcích motoru se spaluje směs paliva a vzduchu. Spalování = rychlá chemická reakce, při níž nastává oxidace spalitelných prvků vodíku (H) a uhlíku (C) obsažených v palivu (viz. tab.) za přítomnosti kyslíku (O) obsaženého ve vzduchu. Tím se mění chemická energie paliva na energii tepelnou. Expandující plyny uvádějí do pohybu píst, který koná práci. 179

14 Z hodnot tabulky složení atmosférického vzduchu vyplývá, že k získání 1m 3 kyslíku musíme motoru dodat 1 : 0,21 = 4,762 m 3 vzduchu a pro získání 1 kg kyslíku potřebujeme 1 : 0,23 = = 4,35 kg vzduchu. Spalovací rovnice: Dokonalé spalování: Spalování vodíku: Spalování uhlíku na oxid uhličitý: 2H 2 + O 2 2H 2 O + teplo C + O 2 CO 2 + teplo Nedokonalé spalování: Spalování uhlíku na oxid uhelnatý: Spalování síry: 2C + O 2 2CO + teplo S + O 2 SO 2 + teplo Množství vzduchu: Ve skutečnosti probíhá spalování v motoru buď za přebytku, nebo za nedostatku vzduchu. Poměr mezi skutečným a teoreticky potřebným ms skutečné.. množství.. vzduchu množstvím vzduchu vyjadřuje součinitel λ = = mt teoretické.. množství.. vzduchu přebytku vzduchu λ, který je dán vztahem: Součinitel přebytku vzduchu λ bývá u zážehových motorů menší než u vznětových motorů, protože směs je lépe promísena. Chemická účinnost spalování η ch : Chemická účinnost spalování η ch je dána poměrem mezi teplem Q 1, které se teoreticky uvolní spálením 1 kg paliva a výhřevností paliva H u. Výhřevnost paliva H u : Je to množství tepla v J, které se uvolní spálením 1 kg paliva. Má vliv na spotřebu paliva v motoru. Základní rovnice tepla: Množství tepla, přivedeného plynu, který je uzavřen ve válci motoru se Q = U + W využije na přírůstek vnitřní energie plynu a vykonání mechanické práce (1. Termodynamický zákon). Q teplo, přivedené do motoru spálením paliva v J U přírůstek vnitřní energie plynu v J (U = p.v, p tlak plynu v Pa, V objem plynu v m 3 ) W práce vykonaná plynem v J (W = F.s, F síla plynu na píst v N, s dráha pístu v m) Protože u ideálního tepelného oběhu je na konci stejná vnitřní energie plynu jako na počátku, to je U = 0 znamená to, že všechno uvolněné teplo Q se změní na mechanickou práci W. Q = W η ch = Q 1 H u 180

15 Změny stavu plynu: U plynu ve válci motoru určujeme tři základní veličiny: - objem V jsou to - tlak p stavové veličiny - teplota t ( C) nebo T (K) plynu Stavová rovnice ideálního plynu: p T 1. V1. 1 p2 V2 = p. V obecně: = konst T2 T Index 1 vyjadřuje počáteční stav plynu, index 2 konečný stav plynu. Druhy změn: a) Izotermická změna: - je to změna objemu V a tlaku p za stálé teploty t; T 1 = T 2; T = konst. p. V = p V obecně: p. V = konst Izoterma je v p-v diagramu zakreslena jako rovnoosá hyperbola. Dú: Vypočtěte konečný tlak p 2 při izotermické změně podle horního obrázku b) Izobarická změna: - je to změna objemu V c) Izochorická změna: - je to změna tlaku a teploty t při stálém tlaku p; p 1 = p 2 ; p = konst. p a teploty t při stálém objemu V; V 1 = V 2 ; V = konst. V 1 V V 2 p = = konst. 1 p p = 2 = konst. T obecně: obecně: 1 T T 2 T1 T T 2 181

16 d) Adiabatická změna: - je to změna stavu plynu v tepelně dokonale izolovaném prostředí κ κ κ p 1. V1 = p2. V obecně: p. V = konst. 2 κ adiabatický součinitel (Poissonova konstanta) cp kde c p je měrné teplo za stálého tlaku, c v je měrné teplo za stálého objemu κ = c pro vzduch má hodnotu 1,4 V e) Polytropická změna: - je to změna, podle které probíhají skutečné stavové změny plynu v motoru Vyjadřuje se vztahem: n n p1. V1 = p 2. V2 obecně: p. V n = konst. n.polytropický exponent Ideální tepelný oběh: Ideální tepelný oběh je uzavřený oběh složený z vratných změn stavu pro obíhající množství 1 kg směsi. Smysl oběhu udávají šipky. Průběh změny tlaku p je znázorněn graficky křivkou v závislosti na změně objemu V v tzv. p-v diagramu. 1-2 expanze, při níž se z přivedeného tepla Q 1 získá práce A 1 ; 2-3 komprese, při ni se musí vynaložit práce A 2, která odpovídá ztracenému teplu Q 2 A i indikovaná práce je získaná vnější práce Platí: A i = A 1 A 2 A i = Q = Q 1 Q 2 Q η t = Q 1 Q2 Q2 1 Q 1 Střední indikovaný tlak: Ai p i = V Z = 1 A i indikovaná práce v J; Q 1 přivedené teplo v J; Q 2 ztracené teplo v J; η t tepelná účinnost oběhu (η t <1) (Pa;J,m 3 ) V Z zdvihový objem válce 182 Indikovaná práce: 2 π. D A i = VZ. pi =. z. p 4 z zdvih pístu v m D průměr (vrtání) válce Indikovaný výkon: n P i = A i. i i počet oběhů za sekundu i = pro 4DM; i = n pro 2DM; 2 n otáčky motoru (s -1 ) i v J

17 Výpočet indikovaného výkonu motoru pro celý motor: 2 π. D P i =. z. pi. i. v 4 v- počet válců motoru Příklad: Vypočítejte indikovanou práci A i a indikovaný výkon P i, je-li střední indikovaný tlak p i = 0, Pa, zdvihový objem motoru V z = 0, m 3 a počet oběhů za sekundu i = 30. Ideální oběh zážehového motoru: 1-2 adiabatická komprese 2-3 izochorické spalování (přívod tepla Q adiabatická expanze 4-1 izochorický odvod tepla Q 2 Při adiabatické kompresi platí: p Κ 1. V1 = p2. V2Κ Tlak na konci komprese: ε kompresní poměr V 1 = V Z + V K celkový objem válce V 2 = V Z kompresní objem válce VC VZ + VK V Teplota na konci komprese: ε = = = 1+ VK VK V p R plynová konstanta 1. V1 p2. V2 = = R T T (J. C -1 ) 1 2 R. T odvození: Κ 1 R. T p = ; 1. V1 p2. V2Κ Κ 2. V1 =. V2Κ V V po úpravě rovnice: T T1.. = T1. V2 V1 Přiváděním tepla Q 1 za stálého objemu vzroste tlak z p 2 na p 3 a teplota z T 2 na T 3. Maximální tlak tlak po ukončení spalování: p Κ 3 p 2. λ 1. ε. λ kde: λ- stupeň zvýšení tlaku; ; (λ = 2 3) 3 = p = p λ = p Maximální teplota teplota po ukončení spalování: Κ V V = ε 1 p Při adiabatické expanzi se objem zvětší z V 3 na V 4, tlak klesne z p 3 na p 4 a teplota z T 3 na T 4. Tlak na konci expanze Z rovnice: p. V Κ = p V4Κ bude: Κ Κ V 1 = p. =. 1 1 ε V2 2 p Κ 1 V3 Κ Κ Κ p 4 = p3. = p3. ε = p1. ε. λ. ε = p1. λ V 4 2 ε = T 3 V V 1 2 protože: Κ Κ 1 = T. λ = T. ε. λ 2 V V 1 2 Z K V = = = ε V ε 1 183

18 Teplota na konci expanze: Podobně vypočítáme teplotu: Κ 1 Příklad: Vypočtěte tlaky a teploty ideálního oběhu zážehového motoru, je-li: P 1 = 0, Pa, T 1 = 273,15K, ε = 8, λ = 2,1 Skutečný oběh čtyřdobého zážehového motoru: V 3 1 Κ Κ 1 1 Κ T 4 = T3. = T3. ε = T1. ε. λ. ε = T1. λ V 4 1 sání; 2 stlačení (komprese); 3 výbuch (expanze); 4 výfuk SO sání se otvírá, SZ sání se zavírá, VO výfuk se otvírá, VZ výfuk se zavírá, Z - zážeh Sání 1 začíná v bodě SO před HÚ pístu těsně před dokončením uzavírání výfukového ventilu VZ, který se uzavírá zpravidla těsně za HÚ. Při chodu pístu k DÚ se nasává do válce pracovní směs při tlaku asi (0,08 až 0,09),10 6 Pa.. Sací ventil zavírá SZ až za DÚ při chodu pístu k HÚ a nastává komprese 2 směsi, přičemž se dosahuje zpravidla tlaku (0,7-1,1).10 6 Pa a teploty 330 až 380 C (je pod hranicí teploty samovznícení směsi). Před HÚ se v bodě Z zažehne stlačená směs elektrickou jiskrou a rychle shoří (výbuchem); část směsi shoří před HÚ, část v době, kdy je píst v HÚ a zbytek dohoří na začátku expanzního zdvihu 3. V této době je tlak nejvyšší, asi (3 až5).10 6 Pa a hned potom i největší teplota, asi 1800 až 2000 C. Píst je velkou silou vržen k DÚ a získává se mechanická práce. Před DÚ se otvírá výfukový ventil VO při tlaku asi (0,3 až 0,5).10 6 Pa. Velká část spálených plynů uniká do, píst dojde do DÚ, při výfuku 4 se vrací k HÚ a vytlačí z válce do výfukového kanálu zbytek spálených plynů při tlaku 0, Pa a teplotě C. 184

19 Skutečný oběh dvoudobého zážehového motoru: Je to motor se sáním do klikové skříně a se symetrickým časováním.. V době, kdy je píst v DÚ, probíhá nad pístem výfuk spálených plynů a vyplachování jejich zbytků čerstvou pracovní směsí, přepouštěnou z klikové skříně do válce přepouštěcím kanálem. Tlak ve válci je těsně nad hranicí barometrického tlaku, tj. asi 0, Pa, a v klikové skříni asi 0, Pa. Potom se píst pohybuje k HÚ. Jakmile píst uzavře přepouštěcí kanál PZ a výfukový kanál VZ (asi 20 až 25% zdvihu) nastává komprese 1. Před HÚ se otevírá sací kanál SO a do klikové skříně se nasává z karburátoru směs. Před HÚ nastane ve válci zážeh Z směsi; potom následuje expanze 2, podobně jako u čtyřdobého zážehového motoru. Dosahuje se však nižšího maximálního tlaku než u čtyřdobých motorů. Tato hodnota p max se pohybuje podle kompresního poměru ε od (2 až 3,5) Pa. Při pohybu pístu k DÚ se uzavírá sací kanál SZ a směs se v klikové skříni stlačuje. Před DÚ otevírá píst výfukový kanál VO a tlak ve válci rychle klesá unikáním spálených plynů do výfuku; po otevření přepouštěcího kanálu PO se však udrží těsně nad 0, Pa. Je to proto, že z klikové skříně se přepouští stlačená směs do válce nad píst, kde probíhá vyplachování. Nejnižšího tlaku v klikové skříni (asi 0, Pa) se dosáhne těsně po začátku otevírání sacího kanálu SO, při pohybu pístu k HÚ. Nejvyššího tlaku v klikové skříni (asi 0, Pa) se dosáhne před DÚ těsně po začátku otevírání přepouštěcího kanálu PO. Průběh křivky tlaku v klikové skříni se mění u téhož motoru s počtem otáček. Musí se počítat s tím, že část čerstvé směsi uniká při vyplachování válce do výfuku, čímž vznikají ztráty paliva. Má-li směs projít rovnoměrně celým spalovacím prostorem a vytlačit do výfuku zbytek spálených plynů, musí mít výfuk předepsaný odpor proudění unikajících plynů. Není tedy možno odstranit nebo libovolně upravit tlumič výfuku. 185

20 Ideální oběh vznětového motoru: Ideální oběhy vznětových motorů jsou dva: porovnávací rovnotlaký oběh porovnávací smíšený oběh Porovnávací rovnotlaký tepelný oběh: Je blízký skutečnému oběhu vznětových motorů se žárovou hlavou. Hlavní rozdíl proti ideálnímu oběhu zážehových motorů se spalováním za stálého objemu je v tom, že se dosahuje vyššího tlaku na konci komprese p 2 a teplo Q 1 se přivádí za stálého tlaku. Porovnávací smíšený tepelný oběh: Podle tohoto oběhu pracují u traktorů a automobilů vznětové motory s přímým a nepřímým vstřikem. Je v podstatě složen z ideálního oběhu zážehového motoru a z ideálního oběhu rovnotlakého odtud název smíšený oběh. Přiváděné teplo Q 1 se zčásti přivádí za stálého objemu (Q 1 ) a zčásti za stálého tlaku (Q 1 ). Rozdíl proti zážehovému motoru je v tom, že u vznětového motoru se palivo vstřikuje do stlačeného vzduchu teprve na konci komprese, takže příprava směsi a její shoření trvají delší dobu než u motoru zážehového, kde stlačená směs shoří po zážehu najednou výbuchem. U vznětových motorů je asi dvakrát vyšší kompresní poměr, takže se zde dosahuje vyšších teplot i tlaků než u motorů zážehových. Výpočty: Výpočty tlaků p 2, p 3 a teplot T 2, T 3 jsou stejné jako u ideálního oběhu zážehového motoru. Tlak na konci spalování: Teplota na konci spalování v bodu 4: p 4 = p 3 T3. V4 Κ 1 T = = T. ε. λ. ρ kde: ρ = V V 4 3 Tlak na konci expanze: p. V Κ = p V 4Κ = stupeň plnění motoru p V 4 Κ V 3 1 V 4 Κ 4 Κ 5 = p4. = p1. ε. λ. = p1. λ. ρ V5 V5 Κ když: V V 4 5 V = V 4 1 V = V 4 3 V : V 1 2 V = V 4 3 V. V ρ = ρ. = ε ε Teplota na konci expanze: Κ 1 Κ 1 V 4 Κ 1 ρ 5 T4. = T1.. λ. ρ. = T1 V5 ε Κ T = ε. λ. ρ 186