Цилиндар и клип Карактеристике нежељених гасова

Transcript

1 Универзитет у Нишу Електронски факултет Катедра за Електронику Предмет: Аутоелектроника Смер: ЕКИС Цилиндар и клип Карактеристике нежељених гасова Менторр: Студент: прор. др Бранислав Петровић Милан Радосављевић Јун 2010

2 Увод Развој електронике у аутомобилу Поред ауто-радија, мигаваца и система паљења, било је веома мало употребе електронике у аутомобилској индустрији до раних 1970-их година 20. века. Нови закони о емисји штетних гасова и безбедности учесника у саобраћају довели су употребе електронике у аутомобилској индустрији. Огромна побољшања перформанси и релативно ниска цена електронских система су довели до масовне примене електронике у готово сваком аутомобилу. Данас је ауто електроника постала велика област електронике, али да бисмо је сагледали на прави начин и могли да се бавимо њом неопходно је добро познавати све механичке системе у аутомобилу. Развоj аутомобилских мотора Развој мотора омогућио је развој аутомобилске индустрије. Мотор са унутрашњим сагоревањем конструисао je Nikolas August Otto ( ) по коме се овај мотор назива и Ото мотор. Овај проналазак био је прва практична алтернатива парној машини. Otto је направио први бензински мотор године. Три године касније оформио је партнерство са великим Немачким индустријалцем Eugenom Langenom са којим развија побољшану верзију мотора која осваја златну медаљу на Париској Изложби Otto конструше четворотактни мотор са унутрашњим сагоревањем, најсличнији оном који познајемо данас. Четворотактни циклус патентирао је француски инжењер Alphonse Beau de Rochas али како је Otto први конструисао сам мотор до данас циклус је познат као Ottov циклус. Занимљиво је да је у Ottovoj фирми радио и Gottlieb Wilhelm Daimler као технички директор. Daimler je напустио ову фирму и заједно са Wilhelmom Meybachom основао сопствену патентирали су четворотактни мотор са карбуратором који је омогућавао употребу бензина као основног горива. Први од мотора испробали су на бициколу (ово је вероватно и први моторцикл икад направљен), затим на кочији са четири точка (1886.) и на чамцу (1887.) су дизајнирали и направили први аутомобил оснивају Daimler-Motor-Gesellschaft, фирму која прави први Mercedes. Pored Otto-a, u ovoj oblasti radio je i Rudolf Diesel. Njegov rad bio je usmeren razvoju četvorotaktnog toplotnog motora čiji bi ciklus bio što bliži Karnoovom je došao na ideju dizel-motora koji danas poznajemo je dobio i nemački patent a dokumentaciju o samom motoru objavio pod naslovom Theorie und Konstruktion eines rationellen Wäremotors (Teorija i konstrukcija racionalnog toplotnog motora). Uz podršku firmi Maschinenfabrik Augsburg и Крупп производи серију све успешнијих модела што кулминира када је Милан Радосављевић страна 2

3 демонстрирао једноцилиндрични, четворотактни мотор од 25кs. Тако је остало и до данас основна подела мотора да дизел и бензинске моторе. Мотор За погон транспортних средстава се углавном користе: Клипни топлотни мотори са унутрашњим сагоревањем и Електрични мотори Осим клипних мотора са праволинијским осцилаторним кретањем клипа, у новије време се користе и други типови мотора: Ротационо-клипни мотори; Гасне турбине и Реактивни мотори. У последње време, пре свега у циљу елеминисања еко загадјивања и замене погонске енергије, интезивно се развијају електромотори са аутономним извором електричне енергије из акумулаторских батерија и уградњу код електроаутомобила као Милан Радосављевић страна 3

4 погонски агрегати. Такође се интезивно ради на развоју стирлинг мотора, као потенцијалног погонског агрегата. Клипни мотори са унутрашњим сагоревањем Класификација мотора са унутрашњим сагоревањем може се извршити на више начина, по различитим основним особинама: 1- Према врсти горива, које се користи: Мотори на течно горво: На тешко течно гориво На лако течно гориво; Мотори на гасно гориво; Мотори са смешом течног и гасовитог горива. 2- Према начину образовања снеше горива: Мотори са спољним образовањем смеше карбуратори мотори и Мотори са унутрашњим образовањем смеше. 3- Према начину паљења смеше: Мотори са самозапаљењем смеше (дизел мотори) Мотори са електричним паљењем смеше (ото мотори). 4- Према начину рада мотора: Двотактни и Четворотактни мотори. 5 Према начину хлађења: Мотори хлађени течношћу, најчешће водом и Мотори хлађени ваздухом. Поред наведене, честа је и класификација према другим карактеристикама. Милан Радосављевић страна 4

5 Радни циклус мотора представља скуп основних процеса, који се изводе по редоследу: - усисавање (пуштање), - сабијање (компресија), - сагоревање, - експанзија (ширење), - и издувавање (испуштање) и као резултат њихивог одвајања је претварање хемијске енергије горива у механички рад (код четворотактног мотора). Мотор са унутрашњим сагоревањем се састоји из основних делова датих на слици 2: Слика 2 Милан Радосављевић страна 5

6 Клип и цилиндар Цилиндри се изливени у блоку мотора и машински обрађени са веома великом финоћом обраде. Клипови се налазе у цилиндрима. на сваком клипу се налази по три прстена (карике) које служе да спрече сагоревање уља и повење компресије (сабијања) и средња служи као брисач уља слика 3. Слика 3 Особине које карактеришу клип и цилиндар једног мотора су : - Пречник клипа - Ход клипа - Укупна запремина цилиндра - Радна запремина цилиндра - Запремина компресије Милан Радосављевић страна 6

7 Такт је део радног циклуса који се одвија за време кретања клипа од једне мртве тачке до друге, тј. Условно се узима да се један такт дешава за време једног кретања клипа између два крајња положаја у којима је брзина клипа једнака нули. Мртве тачке код клипних мотора У цилиндру мотора клип врши праволинијско осцилаторно кретање између два крајња положаја, у којима се мења смер кратања клипа и када је брзина клипа једнака нули. Та места у цилиндру се називају мртве тачке Слика 4 и има их две: - спољашња мртва тачка SMT i - унутрашња мртва тачка UMT Слика 4 Спољашња мртва тачка SMT налази се на страни главе цилиндра, тј.њу клип постиже када се нађе у најудаљењијем положају од осе коленастог вратила. Коленасто вратило се нађе у тачки О, односно клипњача и коленасто вратило су у оси и продуженом положају. Унутрашња мртва тачка UMT одговара положају клипа када је он најближи оси коленастог вратила, тј.клип заузме крајњи доњи положај, а коленасто вратило у тачки ОО, односно клипњача и коленасто вратило су у оси и преклопљеном положају. Очигледно је да максималној запремини цилиндарског простора - c V, пречника D, одговара положај клипа у UMT, а минималној запремини - k V када је клип у SMT. Милан Радосављевић страна 7

8 Ход клипа S представља растојање мерено по оси цилиндра, између мртвих тачака. Једном ходу клипа код четворотактног мотора одговара полуобрт, тј.за 1800 коленастог вратила. S = 2R R полупречник колена коленастог вратила Радна запремина једног цилиндра - r V То је запремина цилиндра одређена ходом клипа између SMT i UMT при једном ходу: За D m, S m. Укупна запремина цилиндра Vuk Укупна запремина цилиндра је запремина коју представља простор између зидова цилиндра, главе мотора и чела клипа у ДМТ. Изражава се у кубним сантиметрима, литрима или кубним инчима. Укупна запремина смеше ваздух/гориво која се може убацити у току једног циклуса. Радна запремина Vs Код мотора са клиповима, то је запремина коју прекрива клип својим ходом, односно то је разлика запремина између мртвих тачака. Запремина компресије Vk Представља запремину у тренутку када се клип налази у ГМТ. Степен компресије ε Што је већи степен компресије то је већи степен искоришћења јер се повећавају крајње температуре и притисци у процесу сагоревања, тако да је: -Потпуније сагоревање -Боље чишћење компресионог простора од продуката сагоревања -Ниже температуре продуката сагоревања и мањи губици енергије кроз издувни систем Са повећањем степена компресије повећавају се притисци и температуре у процесу сабијања, чиме се појављује могућност детонације, односно Милан Радосављевић страна 8

9 самозапаљивања горива. То је ограничавајући фактор за даље повећање ε. Код турбо мотора степени компресије су нижи јер ваздух у цилиндре већ улази са предпритиском. ε = λp stepen kompresije predstavlja odnos ukupne zapremine i zapremine kompresije Vk zapremina kompresije [m3] Vs radna zapremina [m3] Степен компресије је веома важан за ефикасност процеса сагоревања, односно за коначну снагу мотора и потрошњу горива Утицај компресије на снагу мотора На слици 5 је приказана зависност снаге мотора од компресије. Слика 5 Милан Радосављевић страна 9

10 Карактеристике нежељених гасова Аутоелектроника 2010 Сагоревање представља хемијско спајање горивих елемената са кисеоником (процес оксидације) при чему настаје топлота, светлосна енергија и продукти сагоревања. У горивима, основни гориви елементи су угљеник (C), водоник (H) и сумпор (С). Да би дошло до процеса сагоревања потребно је да су гориво и ваздух измешани у одређеном односу, тако да се направи експлозивна смеша и ако се постигне температура паљења. Међутим од укупне количине горива које је учествовало у сагоревању 40% се избацује кроз издувни систем у атмосверу, део као несагорело гориво а део као топлота. Производ сагоревања смеше ваздуха и бензина. Бензин: - Угљоводоник (HC), хемијско једињење водоника и угљеника у различитим односима. -Природне нечистоће. -Хемикалије додате од стране рафинерија. Сагоревање (combustiоn): -Угљен диоксид (CO2) и вода (H2O) идеално сагоревање. -Угљен моноксид (CO) -Оксиди азота (NOx) -Несагорели угљоводоник (HC) -Оксиди сумпора, једињења олова, честице чађи. Стандарди емисије загађења слика 6 Слика 6 Милан Радосављевић страна 10

11 Основне компоненте у издувним гасовима су приказане на слици 7. Аутоелектроника 2010 СО угљен моноксид NOx азотни оксид НС несагорели угљоводоник Слика 7 Пошто су ова једињења врло штетна за животну средину од које у највећој мери зависи здравље људи, у аутомобилским издувним системима се уграђују посебни системи који служе за смањење избацивања ових врло штетних гасова такозвани катализатори слика 8. Милан Радосављевић страна 11

12 Слика 8 Честице у издувним гасовима мотора Тек се у последњих десетак година почело са опсежнијим испитивањима физицких и хемијских карактеристика честица или партикулата, који излазе заједно са издувним гасовима у току рада бензинских и дизел мотора. Исто тако се пооштравају и ограницења садржаја тих честица, које нарушавају квалитет ваздуха, посебно у већим урбаним срединама и при неповољним метеоролошким условима. Велики део тих истраживања обухваћен је пројектом PUMI (Particolato fine nell 'atmosfera urbana Milanese) који води Испитна станица за испитивање горива у Милану. Досадашњи резултати су показали занимљиве чињенице од којих се наводе само оне најбитније: по правилу аутомобили старијих генерација, бензински или дизел, загађују честицама много више од савремених мотора, посебно оних са системом за убризгавање горива, који раде под већим притиском и који за погон троше горива која одговарају савременим стандардима. Садржај сумпора у гориву има мањи утицај на количину емитованих честица, него што се то до сада мислило. Емисије цестица су нарочито велике у фазама убрзавања возила и када се возило креће изнад просечних брзина. Бензински мотори испуштају око десет пута мање честица од дизел мотора, а у неким случајевима то може бити и до сто пута мање. Дизел мотори нове Милан Радосављевић страна 12

13 генерације уграђени у мања комерцијална возила која се у урбаним срединама крећу мањим брзинама и без великих убрзања, испуштају честице у "прихватљивим" количинама, те мање загадују урбану атмосферу. Издувни лонци дизел мотора, који имају уграђене катализаторе, убрзавају оксидацију издувних гасова па је загадење још мање. Ова испитивања су обухватила не само честице, него и састојке из којих оне настају, као што су феноли, нитрофеноли и карбоксилне киселине. Нису случајно ова испитивања обављана у Милану, јер је управо Милано једна од највецих метропола у Италији и Европи са врло интензивним урбаним саобраћајем. Станица за истраживање горива у месту Сан Донато Миланесе један је од најопремљенијих европских центара за истраживање горива, мазива и других нафтних деривата. Улога филтера за цврсте цестице у издувним гасовима Филтер чврстих честица у издувним гасовима дизел мотора не служи побољшању рада или искоришћавању мотора него искључиво уклањању чврстих честица насталих сагоревањем дизел горива. Тако настале честице не могу се уклонити проласком издувних гасова кроз катализатор, већ директно одлазе у околину. Те честице садрже и поједине канцерогене молекуле које могу утицати на здравље људи. То је разлог да су многе западноевропске земље одлучиле да на разне начине стимулишу произвођаче аутомобила, али и возаче да уграде такве филтере који ће умањити или сасвим уклонити чврсте продукте сагоревања угљоводоника у дизел моторима. Тако се нпр. за возила која имају уграђен филтер за чврсте цестице плаћају мање таксе приликом регистрације. Слично се посебним бонусима стимулишу возачи који це накнадно уградити такве филтере. Надлежне власти су у појединим земљама уочиле штетност тих чврстих честица чија се величина најчешће креће м. Оне се поред азотних оксида (NОx) сматрају највећим загађивачима атмосфере из дизел мотора. Први комерцијални Филтер за чврсте честице је уградио познати немачки производац аутомобила Мерцедес пре више од двадесет година. У међувремену су и неке друге компаније почеле уграђивати такве филтере у своја возила. Најчешце су то керамички филтери који раде на основу струјања издувних гасова, преко површина од силицијум карбида, на којима се уз додатак посебних адитива такве цестице додатно спаљују. Данас се примењују разна технолошка решења код израде филтера како би се спречило њихово зачепљивање и престанак ефикасног спаљивања чврстих честица. Узрок зачепљења филтера нису само круте честице настале сагоревањем дизел горива, него и продукти сагоревања адитива, али и самог моторног уља којим се подмазују цилиндри и лежајеви мотора. До зачепљења долази чешће код мотора који раде под слабијим оптерецењем и који нису довољно загрејани, тако да су и издувни гасови нижих температура које не омогућују потпуно сагоревање чврстих цестица у филтеру. Недостатак неких типова филтера за спаљивање чврстих честица је и нагомилавање чврстих честица у филтеру, које се одједном упале код пораста температуре издувних гасова чиме при разлагању може створити противпритисак надолазећим издувним гасовима и тако смањити снага мотора. У вожњи то може изазвати и нежељене последице, посебно кад нпр. код претицања возила треба већа снага мотора. Нови прописи али и нова Милан Радосављевић страна 13

14 технолошка решења филтера за чврсте честице осигураће несумњиво мање загађен ваздух, посебно у урбаним срединама. Euro 5 и Euro 6 стандарди за дизел горива Euro стандарди за дизел горива су донешени и примењују се углавном да би се смањиле и ограничиле количине штетних састојака који се налазе у издувним гасовима дизел мотора. Euro 4 стандарди су уведени у јануару године, а формално их је прихватио Европски савет у мају Euro 5 стандарди су обавезујући од септембра године, и ограницавају садржај азотних оксида у издувним гасовима лаких дизел мотора на 180 mg по пређеном километру, и смањују дозвољену количину честица или партикулата на највише 5 mg по преденом километру. Euro 6 стандарди који це, како се претпоставља ступити на снагу у јануару године, смањиће дозвољену количину азотних оксида (NОx) на свега 80 мg/кm. Уколико упоредимо будуце Euro 6 стандарде са Euro 4 стандардима, видећемо да ће будући стандарди смањити колицину азотних оксида у издувним гасовима за око 70%, а дозвољену количину честица (PM) чак за 80%. Ти нови стандарди и ограничења азотних оксида и честица партикулата поставиће ипред произвођача аутомобилских мотора и њихових делова врло сложене задатке и изазове. Поред ових еколошких захтева, купци дизел мотора захтевају и бројне друге услове и ограничења, као нпр. смањена потрошња горива по пређеном путу, мањи садржај СО2 у издувним гасовима, смањење буке мотора, веће убрзање, итд. Често су ови захтеви међусобно и контрадикторни, па ће се морати наћи компромисна решења. Од наведених захтева, најтеже це се моћи удовољити оном за смањењем дозвољене количине CО2 од 140 g/km у на 120 g/km, колико се предвиђа да ће бити дозвољено у Многи сматрају да ће то повећати производњу и продају мањих путничких возила са дизел мотором који ће лакше удовољити новим прописима и стандардима. Стручњаци ће морати наћи решење за јефтину и ефикасну обраду издувних гасова као и побољшање у системима за убризгавање и распршивање дизел горива пре његовог убризгавања у цилиндре мотора. Милан Радосављевић страна 14