Radni ciklus četvorotaktnog motora

Hod klipa u cilindru

Kod četvorotaktnih motora  jedan radni ciklus se odvije u toku četiri takta. Pod pojmom takt

Četvorotaktni ciklus SUS motora: 1-usisavanje gorive smeše, 2-kompresija, 3-sagorevanje gorive smeše pokreće klip, 4-izbacivanje produkata sagorevanja

podrazumeva se onaj deo radnog ciklusa koji se odvije u toku jednog hoda klipa. Hod klipa predstavlja  pomeranje klipa od jednog do drugog krajneg položaja. U  krajnim položajima brzina klipa je jednaka nuli, pa se zato krajni položaji klipa nazivaju i mrtvim tačkama. Spoljašnja mrtva tačka je onaj krajni položaj klipa, koji je najudaljeniji od ose kolenastog vratila (SMT). Krajni položaj klipa, koji je najbliži osi kolenastog vratila naziva se unutrašnja mrtva tačka (UMT).Teorijski ciklus četvototaktnog motora definisao je 1862. godine Bo d’Roše (Aphonse Beau de Rochas). On je prvi ukazao na potrebu sabijanja smeše pre procesa sagorevanja. Međutim, prvi realizator i tvorac četvorotaktnog motora je nemački iženjer Nicolaus August Otto (rođen 14.06.1832 u Holzausenu, a umro 26.01.1891 u Cologneu).

Na drugoj svetskoj izložbi u Parizu 1867. godine Nicolaus Otto i Eugen Langen (1833-1895) su prikazali motor (poznat pod nazivom atmosferski motor), koji je radio na svetleći gas i imao za 30% veći stepen iskorišćenja od do  tada poznatog Lenoirovog motora. Iako, je Otto imao veliki uspeh sa atmosferskim motorom, ipak on je smatrao da nije pronašao pouzdan i efikasan motor. Zato, je on tražio poboljšanja svog atmosferskog motora i konačno je na trećoj svetskoj izložbi u Parizu 1876 prikazao motor koji je radio na četvorotaknom principu i davao snagu od 3 KS. Poznati nemački inženjer Wilhelm Maybach (1846-1929) brzo je usavršio njegovu konstrukciju i već krajem 1976 godine bio je proizveden u znatnim količinama.

Genijalna inovacija bila  je odmah široko prihvaćena u praksi. Nastala  je konkurencija u njenom usavršanjanju, a kao posledica toga ubrzo je došlo do poboljšanja ne samo energetskih nego i brzinskih karakteristika motora. Motor je dobio široku primenu, a autor je doživeo da se proizvede motor snage od 100 KS.

Nicolaus August Otto

Prema osnovnim delovima konstrukcije, principu rada  i zakonu izmene pritiska u cilindru ovaj motor je sličan nekim konstrukcijama današnjih motora, čime se i objašnjava današnji naziv oto motora.

Motor iz 1876

Radni ciklus četvorotaknog oto motora čine taktovi:

Za vreme takta usisavanja klip se kreće od SMT do UMT. Za to vreme  je posredstvom razvodnog mehanizma otvoren usisni ventil i cilindar se puni svežom smešom (smeša goriva i vazduha).

Ciklus rada motora

cetvorocilindarski-linijski-motor

S obzirom da ce svi textovi na sajtu biti arhivirani i vama dostupni, zeleo bih da napravim jednu hijerarhiju u vezi sa ovom tematikom, koja ce omoguciti bilo kome da na jednostavan nacin sazna sve sto je bitno sa tehnickog aspekta automobila. Naime, ovu tematiku zapocinjem najgeneralnijom mogucom pricom – pricom, u kojoj cu vas uvesti u osnove funkcionisanja jednog automobila. Naravno da na ovakav nacin ne mogu reci i objasniti bas sve, ali cu se potruditi da vam iznesem barem osnovni koncept, sve radi lakseg pracenja daljih tekstova, koji ce pokrivati primenu savremenih sistema koji obezbedjuju poboljsanje osnovnih parametara voznje.

Da li ste ikada otvorili haubu vaseg ili necijeg automobila i zapitali se sta se desava unutar te organizovane skupine metala? Da li vam je iko ikada rekao da vozi ne znam koji auto koji je “3,0i V6 24v”, ili nesto tome slicno, a da ste ga vi pogledali i pomislili: “Sta ovaj covek psuje”? Ili vas je mozda predriblao neki majstor i za neku jednostavnu popravku motora vam uzeo vise stotina evra? Ako su odgovori uglavnom potvrdni, trebalo bi da se nesto vise informisete, a to mozete uciniti citajuci sledeci tekst… Dakle, osnovno pitanje na koje treba odgovoriti jeste: Kako iz pogonskog goriva, u vidu benzina i dizela, dobiti energiju za pokretanje jednog vozila? Odgovor na pitanje je – unutrasnjim sagorevanjem istog! Sve se bazira na unutrasnjem sagorevanju goriva, koje se odvija u poznata cetiri takta. Pored ovakvih motora, koji su apsolutno zastupljeni u automobilskoj industriji, postoje jos i motori sa dvotaktnim ciklusom (koriste se kod camaca, brodova…), motori sa spoljasnjim sagorevanjem (najpoznatija je parna masina) i brojne modifikacije motora sa unutrasnjim sagorevanjem. Cetvorotaktni ciklus je dobio naziv Otto-ciklus, po poznatom fizicaru Nikolasu Otu koji je ovaj princip prvi put primenio 1867. godine. Pored Otto-ciklusa, dakle, postoje brojne modifikacije istog, kao sto su Miller-ov ciklus, zatim Wankler-ov ciklus, Brayton-ov ciklus…itd.

rad-ventila

Posle upoznavanja sa Otto-ciklusom, sledi njegova analiza. Ako biste stavili malu kolicinu nekog visoko-energetskog goriva u jedan zatvoren, dobro obezbedjen prostor i “aktivirali” gorivo u njemu varnicom, plamenom ili sl. dobili bi ste jednu relativno snaznu eksploziju, odnosno relativno veliku kolicinu oslobodjene energije. Vrlo je bitno kontrolisati i usmeriti takvu energiju. Na primeru topa i topovskog djuleta imamo slucaj oslobadjanja velike kolicine energije radi ispaljivanja djuleta u pravolinijskom smeru. Nesto slicno imamo i u automobilskim motorima, samo je taj proces drugacije usmeren. Naime, u motorima sa unutrasnjim sagorevanjem imamo princip ciklicnog-reprodukcionog procesa, koji je kruzno usmeren. Nama treba velika kolicina energije koja ce nam pokretati pogonske tockove. Isto tako nam treba vise od 100 eksplozija u minuti, kako bi motor imao “mekocu” i elasticnost. Sve nam to obezbedjuje Otto-ov ciklus! Prvo treba reci koji su glavni delovi motora i sta oni rade. Osnovni deo motora je cilindar, koji u stvari predstavlja radni prostor motora. Zato se i u tehnickim podacima spominje ‘radna zapremina’ izrazena u kubnim centimetrima, odnosno litrama. Popularno je znana kao ‘kubikaza’. Motori najcesce imaju cetiri, sest ili osam cilindara i ukupna radna zapremina motora predstavlja zbir zapremine svih cilindara. Tako na primer, ako imate cetvorocilindricni motor od 2 litra radne zapremine (2000 cm3) to znaci da svaki cilindar ima po pola litre zapremine. Svi cilindri su odozgo povezani glavom motora i na vrhu cilindara se nalaze otvori – usisni i izduvni.

engine-flat-4Preko usisnog otvora se ubrizgava prethodno napravljena smesa benzina i vazduha.Kontrolu otvaranja i zatvaranja usisnog otvora imaju usisni ventili, ciji pokreti su uskladjeni sa svim drugim osnovnim delovima motora. To cemo detaljnije videti u objasnjenju sva cetiri takta ponaosob. Sa druge strane, postoje i izduvni ventili koji kontrolisu izbacivanje ostataka posle svih faza ciklusa i izbacuje ih dalje kroz granu auspuha. Mogu postojati samo dva takva ventila, dok najnovija tehnologija koristi cak i pet ovakvih ventila. Danas su najcesci oni motori sa cetiri ventila po svakom cilindru – dva usisna i dva izduvna. Dakle, ako imamo za primer onaj motor od dva litra i cetiri cilindra, recimo da ima i cetiri ventila po cilindru. To nas dovodi do brojke od ukupno 16 ventila u citavom motoru. Kontrolu rada ovih ventila vrsi bregasta osovina, koja radi u skladu sa radilicom (zeleno obojena na gornjoj slici), koja je takodje osnovni deo sklopa motora. Ali, idemo redom – unutar cilindra se nalazi klip sa svojim ‘prstenovima’. Uloga klipa je da vrsi sabijanje ubacene smese u cilindru. Rad i ulogu klipa cu takodje potpunije objasniti u delu ‘faze ciklusa’… Klip je klipnjacom povezan sa spomenutom radilicom koja prenosi to kruzno kretanje dalje (ka tockovima) ali i regulise rad bregaste osovine, radi sto pravovremenijeg otvaranja ventila. U nasem primeru sa 2,0i 16v motorom, moramo imati dve bregaste osovine, postavljene iznad glave motora. Svaka bregasta osovina kontrolise rad jednog para ventila. Sama radilica se nalazi unutar bloka motora i zbog nje se u sustini koristi motorno ulje. Naime, ulje se nalazi na odredjenom, propisanom nivou u bloku motora i svojim okretanjem radilica uvek prodje kroz taj ‘talog’ ulja i tako reducira habanje. Pored svih ovih delova motora, vrlo bitni delovi su jos i svecice, ali o njihovoj ulozi nesto kasnije…

OK, smutio sam ja sve to lepo tako da mozda neki delovi ne bi ni meni bili jasni kad bih krenuo da citam, ali kristalizovace se sve posle objasnjenja faza ciklusa cetvorotaktnog motora sa unutrasnjim sagorevanjem. Dakle, imamo ukupno cetiri faze:

USISNA faza je prva faza i u njoj se smesa benzina i vazduha ubrizgava preko usisnog kanala u unutrasnjost cilindra. Dakle, usisni ventil(i) se otvara(ju) i u cilindar ulazi smesa. U tom trenutku klip se krece nadole i sa zatvaranjem usisnog ventila on zauzima maksimalnu donju poziciju.

KOMPRESIONA faza je faza u kojoj klip pocinje da se krece nagore, stvarajuci pritisak (kompresiju) u toj, sada totalno zatvorenoj, komori cilindra. Znaci – i usisni i sa druge strane izduvni ventil zatvaraju cilindar sa gornje strane, dok klip cilindar zatvara sa donje strane i priblizavanjem klipa vrhu cilindra se stvara veliki pritisak.

Faza SAGOREVANJA je sledeca faza i ona startuje u trenutku kada je kompresija najveca, tj. kada je klip u maksimalnom gornjem polozaju. U tom trenutku se aktiviraju svecice (svaki cilindar po jedna), koje su ugradjene u glavu motora. One emituju varnicu koja stvara eksploziju unutar cilindra i u tom trenutku se, usled te eksplozije, klip potiskuje ka dole! Ovo predstavlja osnovnu stvar u ciklusu, jer u stvari, kada startujete motor, smesa se ubacuje u cilindre, nista se ne pomera sve dok se ne desi ta eksplozija. Ono ‘verglanje’ koje nastaje pre starta motora jesu obrtaji motora, koji se vrse elektricnim putem – motor napravi par “ciklusa” sve dok se prva eksplozija u cilindru ne dogodi. Onda sve ide ‘samo od sebe’, za prvom eksplozijom sledi druga, pa treca…itd. i motor kontinuirano radi. Prakticno, prve dve faze u tom slucaju se ‘simuliraju’.

Faza IZBACIVANJA je poslednja faza u ciklusu i tada se klip pomera nagore i izbacuju se sve nus-materije koje su ostale nakon eksplozije. Naravno, izbacivanje se vrsi tako sto se otvori izduvni ventil, dok usisni stoji zatvoren.

Sve ovo predstavlja jedan ciklus rada motora sa unutrasnjim sagorevanjem i ovakvih ciklusa ima otprilike pet-stotinak do hiljadu u minuti. Njihov broj se povecava dodavanjem gasa i obrnuto, sto ce dakle reci da kolicina benzina u smesi odredjuje aktivnost samog ciklusa. Uporedjivanjem texta sa prilozenim slikama ce dati potpuni uvid u rad motora. Postavlja se pitanje – zasto potreba za vise cilindara? Zasto ne bismo sve to zbudzili u jedan, pa samo povecevali ili smanjivali njegovu zapreminu? To je moguce, ali nije bas najbolje resenje. Treba naznaciti da se klip ne krece (ne rotira) uvek istom brzinom – dakle, njegova kretnja nije homogena. Kad bismo imali samo jedan veliki cilindar ne bismo imali elasticnost i ‘tecnu’ voznju, vec bi nam auto stalno poskakivao i stucao… Svi cilindri u motoru rade nezavisno, svaki za sebe, da bi obezbedili sto vecu potrebnu elasticnost. To opravdava postojanje vise cilindara. Kao sto vec pretpostavljam znate, postoji vise tipova motora sa unutrasnjim sagorevanjem. Tri su osnovna. To su motori sa redno postavljenim cilindrima, sa cilindrima postavljenim u V- rasporedu i horizontalno postavljeni, bokser motori. Svaki ima svoje karakteristike, prednosti i mane…

IzvorSpeed industry

Ovaj  naziv bloga je u skladu sa onim što predajem mojim učenicima, motori SUS drugom i trećem razredu. Za početak, tu je ono što su moderatori postavili kao zadatak, a kasnije ono što će biti od koristi i meni ali pre svega učenicima. Pokušaću da ih podstaknem i na malo drugačiki način rada kao i na međusobnu saradnju preko popularnih društvenih mreža.

Šta je to konjska snaga?

Definicija konjske snage

Prema toj priči postavljena je definicija, koje se danas držimo, a koja govori kako je jedna KS = 75 kg m/s. Prebacimo to u razumljiv rečnik: prosečni konj (snažan 1 KS) u stanju je da predmet težak 75 kg podići za 60 m vukući ga 1 minutu (slika 1). U novije vreme prelaskom na metrički sistem, snagu izražavamo vatima (W) odn. kilovatima (kW). Ono što dalje predstavalja problem je pretvaranje tih vrednosti.

Odnos je sledeći: 1 KS = 0,735 kWodnosno 1 kW = 1,35962 KS.


Jedna KS potrebna je da se telo teško 75 kg podigne 60 m za 1 minut

Definicija obrtnog momenta

Međutim opisivanje snage nije dovoljno, da bi u potpunosti sagledali performanse motora potrebna Vam je još jedna veličina: Moment sile.

Opšte poznat kao “obrtni moment“, je u stvari nešto što je “jednako proizvodu sile i udaljenosti mesta na kojem deluje ta sila od ose rotacije”. Ali o čemu se zaista radi? Zamislite ključ za skidanje šrafova na točkovima. Što dužu polugu imate to će vam posao odvijanja biti lakši jer ćete istu silu primenjivati na većoj udaljenosti od ose rotacije (šrafa). Ova se udaljenost zove “krak sile”, a ono što pri odvijanju primenjujete na šrafu zove se “moment” (jedinica: Nm).

Dijagram rada 4-cilindričnog otto-motora:
- najveća snaga 33 kW (45 KS) pri 5000 o/min
- najveći moment 88 Nm pri 2800 o/min
Potrebno je spomenuti još jedan detalj, a to je broj obrtaja motora. Što je veći broj obrtaja motora, jasno je – veća je i količina sagorenog goriva, a time je i proizvedeno više energije. Pojednostavnjeno, više obrtaja – više snage gledamo li to kroz jedan te isti period vremena.

I konačno, sad po prvi puta dobijamo priliku da povežemo snagu i moment, što će učiniti magična formula: KS = Nm * O / 7024, gde je O broj obrtaja motora izražen u 1/min.

Zbog čega nam je sve to bitno?

Snaga motora, bitna je da bismo znali da li će neki automobil ići brzo. Moment nam je potreban da bi znali kada će taj automobil ići brzo. Pojednostavnjeno govoreći, što je viši maksimalni moment koji neki motor razvija (pri određenom broju obrtaja) to će automobil bolje “vući” pri nižem broju obrtaja jer će ujedno njegov motor moći ostvariti veću snagu pri nižim obrtajima. Krivulja obrtnog momenta i snage s obzirom na broj obrtaja motora (slika 2) veoma slikovito opisuje međuzavisnost ova tri elementa.

I za kraj, malo preračunavanja za one koji listaju britansku i/ili američku literaturu:
1 KS (DIN) = 0,9862 hp (US-horsepower, prema SAE standardu) 
1 Nm (DIN) = 0,7375 lb – ft 
(funta * stopa, SAE)

Kod automobilskog motora uglavnom se misli na četvorotaktni ciklus sagorevanja koji obezbeđuje da se sagorevanje goriva pretvori u kretnju. Četvorotaktni ciklus je smislio Nikolaus Otto 1867. god. pa je po njemu nazvan Otto ciklus. Ono sto razlikuje benzinske i dizel motore je da smešu goriva i vazduha u cilindru koje je kompresovao klip kod benzinskog motora pali svećica iskrom, dok se kod dizela smeša pali usled visokog stepena kompresije koja usisava vazduh do taške kad on sam ekplodira. pojedinačno, radne faze četvorotaktnog motora obavljaju sledeće procese:

  1. usisavanje
  2. kompresovanje
  3. ekspanzija
  4. izduvavanje

BFezThI_fbA

Za sagorevanje potrebno je pomešati vazduh i gorivo. Za potpuno sagorevanje najpovljniji odnos goriva i vazduha je stalan  i iznosi (14,7:1 u korist vazduha kod benzinskih motora). Za povećanje dobijene energije (tako i snage motora) potrebno je sagoreti više smese. Zato motori veće zapremine po pravilu razvijaju veću snagu jer im u cilindar stane više smeše. Klip (koji sabija smesu  odn. vazduh) u radu se kreće između dva položaja-donje i gornje mrtve tačke pri čemu prelazi put koji nazivamo hod klipa. Ako uzmemo u obzir njegov prečnik (klipovi su po pravilu okruglog preseka), zapremina cilindra može se prestaviti kao prostor koji se nalazi između ta dva krajnja položaja klipa. pri tome zapreminu nekog motora možemo predstavi kao proizvod zapremine jednog cilindra i broja cilindara. Odnos najveće zapremine cilindra (kada je klip u donjoj mrtvoj tački) i prostora u koji je smeša sabijena dolaskom klipa u gornju mrtvu tačku nazivamo stepenom kompresije.

Od stepena kompresije znatno zavisi energija koju dobijamo sagorevanjem smese, a njegovim povećanjem (do izvesne granice) raste i snaga motora. Posledica sagorevanja smese je povećanje zapremine gasova unutar cilindra. Ova ekspanzija pokreće klip prema dole, a on posredstvom klipnjače okreće kolenasto vratilo (radilicu). Ovo pravolinisko kretanje klipa pretvara se u kružno koje se potom predaje prenosnom mehanizmu, a na kraju točkovima. Da bi motor mogao pravilno “disati”, tj. usisavati smesu u cilindar i izbacivati iz njega produkte sagorevanja, brinu se ventili. Postoje dve vrste ventila: usisni i izduvni, a ritam njihovog otvaranja i zatvaranja diktira broj obrtaja motora koji se menja obzirom na to koliko je pritisnuta papučica gasa. Moderni motori radi bolje razmene gasova imaju više ventila po cilindru. Tako dva usisna i dva izduvna ventila jednom (četverocilindričnom) 16-ventilskom motoru omogućavaju znatno bolje “disanje”, a time i ostvarivanje veće snage u poredjenju s klasičnom (dvoventilskom) verzijom.

1. takt: Usis (usisni ventil je otvoren, izduvni zatvoren)
2. takt: Kompresija (oba ventila su zatvorena, klip sabija smesu)
3. takt: Ekspanzija (iskra svečice pali smesu, a gasovi se šire potiskujući klip)
4. takt: Izduv (izduvni ventil je otvoren, usisni zatvoren)

Skoro sigurno ste u nekom trenutku pogledali pod haubu automobila i pomislili: šta je ovde motor i čemu sve ovo služi, ili ste čuli od nekoga da kaže “šesnaest ventilski motor”, “dve bregaste” ili nešto slično i niste razumeli o čemu se tu tačno priča. Pokušaću da malo pojasnim neke termine kao i da ukratko opišem rad motora.

o7bUigWR_VQ

Welcome to WordPress.com. This is your first post. Edit or delete it and start blogging!

Prati

Dobijte svaki novi članak dostavljen u vaše poštansko sanduče.