Motor s unutrašnjim sagorijevanjem
Motori s unutrašnjim sagorevanjem (SUS motori) su toplotni motori kod kojih produkti sagorevanja (koji su višeg energetskog potencijala, nastalog oslobađanjem toplote), svojim direktnim dejstvom vrše mehanički rad.[1][2][3][4]
Svaki SUS motor u toku svog rada mora obaviti 4 osnovnih procesa:
- usisavanje
- kompresija
- sagorevanje
- izduvavanje
Razlike između tipova SUS motora su u vremenu, mestu i načinu vršenja ovih procesa. Neki motori vrše sve procese u isto vreme, ali na različitim mestima u motoru (npr. mlazni motor), a neki vrše procese na istom mestu, ali u različito vreme (npr. klipni Oto i Dizel motori).
Prvi proces u toku rada SUS motora je usisavanje. U ovom procesu se smeša vazduha i goriva usisava u motor (kod motora sa spoljašnjim obrazovanjem smeše, npr. Oto motor sa karburatorom) ili se usisava samo vazduh, a gorivo se ubrizgava pod pritiskom (Oto motor sa direktnim ubrizgavanjem). Kod nekih motora se gorivo ubrizgava tek u procesu kompresije (Dizel motor). Zadatak procesa usisavanja jeste da motor obezbedi smešu goriva ili samo vazduh za kasnije sagorevanje.
Proces kompresije je vrlo bitan, jer se u njemu obezbeđuju uslovi za sagorevanje. U ovom procesu motor sabija usisanu smešu, ili samo vazduh, povećavajući joj pritisak i temperaturu. Veći pritisak omogućava brže i eksplozivnije sagorevanje, jer su molekuli kiseonika iz vazduha i goriva zbijeni i gorivo mnogo brže "pohvata" molekule kiseonika, brže reaguje sa njima pri sagorevanju. Kod Dizel motora, pri kraju sabijanja se ubrizgava gorivo i obrazuje smešu. Takt br. 2 na animaciji je proces sabijanja.
U procesu sagorevanja smeša goriva i vazduha se pali i sagoreva oslobađajući ogromnu količinu energije. Gasovi nastali kao proizvod sagorevanja su pod znatno većim pritiskom i temperaturom nego smeša i imaju ogromnu potencijalnu energiju. Način paljenja i sagorevanja se razlikuje među vrstama motora. Prvi trenuci takta br. 3 na animaciji (bljesak) odgovaraju procesu sagorevanja.
Ekspanzija je proces koji daje snagu motoru, tj. vrši koristan mehanički rad. Svi ostali procesi postoje samo da bi stvorili uslove za ovaj proces. U ovom procesu sagoreli gasovi sa ogromnom potencijalnom energijom se šire, potiskujući klip u klipnom motoru, rotor u vankel motoru, turbinu u elisnom mlaznom motoru ili stvarajući direktan potisak u potisnom mlaznom motoru; vršeći mehanički rad. Ovom procesu odgovara veći deo 3. takta animacije (onaj posle bljeska).
Kad sagoreli gasovi svoju potencijalnu energiju pretvore u mehanički rad, postaju beskorisni. Proces izduvavanja je zadužen da beskorisne gasove izbaci u atmosferu. Takt br. 4 animacije je proces izduvavanja.
Kod klipnih motora, zbog brzine odvijanja ovih procesa i inercije gasova, često se 2 procesa vrše u isto vreme (sledeći počne pre nego što se prethodni završio). Npr. proces sagorevanja kod četvorotaktnih Oto i Dizel motora se često "preklapa" sa procesima sabijanja i širenja.
Dele se na:
- klipne (motori promenljive zapremine):
- rotacioni, tj. sa obrtnim klipovima (vankelov motor);
- translatorni (linijski), tj. sa oscilujućim klipovima. U užem smislu, naziv klipni motori označava ove motore, a koristi se i naziv "klasični" klipni motori. U ovu grupu spadaju oto motori i dizel motori, a mogu biti dvotaktni i četvorotaktni.
- strujne (gasna turbina, mlazni i raketni motori);
Klipni motori sa unutrašnjim sagorevanjem su motori koji se koriste na današnjim automobilima. Osim na motornim vozilima (putničkim automobilima, kamionima, motociklima), radnim mašinama (traktorima, kombajnima i dr.) i mehanizaciji uopšte, koriste se i na brodovima (veliki, sporohodni dizel motori), čamcima, a u manjoj meri i za pogon lokomotiva i letelica. Procenjuje se da se u ovim motorima potroši preko 25% ukupne svetske potrošnje energije (industrija, transport, grejanje, ...). U drumskom transportu troše skoro 99% energije, u vodenom preko 75%, dok u železničkom i vazdušnom i manje od 10%. Ovi motori ostvaruju mehanički rad na račun potencijalne energije produkata sagorevanja.
Kod motornih vozila se u ogromnoj većini koriste "klasični" klipni motori (tj. oto i dizel motori), mada stalno ima pokušaja za uvođenje vankelovog motora. Postoje i pokušaji ugradnje gasne turbine (američki tenk M1 Abrams ima ovakav pogon), ali to je izvodljivo samo kod teških vozila. U poslednje vreme prisutni su u hibridni pogon, pa i električni.
Automobilski motori kao gorivo koriste (motorni) benzin, dizel gorivo ili tečni naftni gas - TNG (tzv. plin), eventualno Komprimovani prirodni gas - KPG. Zbog nedostatka nafte kao osnovne sirovine, automobilska industrija pokušava da nađe alternativnu vrstu goriva.
Među klipnim SUS motorima apsolutnu dominaciju u primeni imaju translatorni (linijski) klipni motori sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS), tj. "klasični" klipni SUS motori. Tu spadaju oto (Otto Nikolaus) - nazivani još i benzinski motori i dizel motori (Rudolf Diesel). Oni se međusobno razlikuju po termodinamičkom ciklusu po kojim rade (i po kojima su i dobili imena), iz čega proizilazi i principijelna razlika u vrstama goriva koje koriste: oto motori koriste motorne benzine, ali i alternativna goriva, kao što su TNG, KPG i TPG, alkoholna goriva, eventualno i biogas, dok dizel motori koriste dizel gorivo i biodizel, eventualno delimično i KPG i TPG. I jedni i drugi mogu biti dvotaktni ili četvorotaktni. Ostale razlike su sledeće:
- Oto motori: nakon sabijanja smeše goriva i vazduha, do njenog upaljenja dolazi varnicom, koja nastaje na svećici. Nema eksplozije, sagorevanje se vrši po slojevima. Smeša se kod starijih modela motora formirala u karburatoru, a danas ubrizgavanjem goriva ("injection motori"), bilo ispred cilindra (jedna ili više brizgaljki), bilo direktno u cilindar (što je retko). Za čišćenje njihovih izduvnih gasova koristi se "katalizator".
- Dizel motori: sabija se čist vazduh i nakon ubrizgavanja goriva dolazi do spontanog paljenja i sagorevanja, usled povišene temperature i pritiska, nastalih sabijanjem vazduha. Nema svećica (osim grejača na nekim motorima, koji se nakad nazivaju i dizel svećice). Sporodohniji su i veži/teži po jedinici snage (osim kod turbo motora), ali efikasniji. Za filtriranje izduvnih gasova dizel motora se koristi DPM filter (Diesel Particulate Matter, dizel čestična materija tj. čađ).
Mogu se podeliti po više kriterijuma, npr. po broju cilindara (jednocilindarski, dvocilindarski, trocilindarski, četvorocinindarski, ...) i rasporedu cilindara (linijski, V, W, boxer, zvezda...).
Kod strujnih motora, rad se ostvaruje na račun kinetičke energije produkata sagorevanja, koji ekspandiraju u obliku mlaza koji se koristi bilo za stvaranje potiska bilo obrtnog momenta.
Gasna turbina koristi za svoj pogon gas, mlazni motori koriste kerozin, a raketnim osim goriva, treba isporučivati i kiseonik.
Princip rada dvotaktnog motora je jednostavan. Dvotaktni motor ima dva takta, prvi takt sadrži usis i komprimiranje zraka, dok je drugi takt radni, odnosno sadrži ekspanziju i ispuh. Kretanjem klipa iz donje mrtve točke (u daljnjem tekstu DMT) započinje prvi takt. Na donjem dijelu košuljice cilindra nalaze se usisni kanali za usisavanje svježeg zraka kojeg potiskuje puhalo. Prolaskom klipa iznad usisnih kanala prestaje dotok svježeg zraka i počinje komprimiranje zraka. Klip se kreće ka gornjoj mrtvoj točki (u daljnjem tekstu GMT). Kada klip stigne u GMT započinje radni takt. Međutim, ubrizgavanje goriva započinje nekoliko stupnjeva prije GMT. Ubrizgavanjem goriva u prostor cilindra, ono se samozapaljuje zbog visoke temperature komprimiranog zraka i fino raspršenih čestica goriva. Gorivo se ubrizgava pod tlakom od oko 150 bara. Nakon ekspanzije klip kreće prema DMT i okreće koljenasto vratilo na koje je spojen preko križne glave i ojnice. Ispuh počinje kada klip svojim gibanjem prema DMT otvori ispušne kanale na košuljici cilindra, koji su smješteni iznad usisnih kanala tako da većina izgorene smjese izađe izvan prostora cilindra, tako da kad klip otvori usisne kanale svježi zrak pomogne ispiranju cilindra od izgorene smjese. Dolaskom klipa u DMT završava radni takt i započinje prvi.
Gornji opis je opis dvotaktnog diesel motora, a za benzinske motore postoji par razlika. U cilindar se ubacuje smjesa zraka i goriva, koja se tlači, a zatim, nekoliko stupnjeva prije GMT se pali iskrom iz svijećice.
Princip rada četverotaktnih motora je malo složeniji od rada dvotaktnog motora. Četverotaktni motor ima četiri takta. Prvi takt je usis gorive smjese ili zraka. Kretnjom klipa iz GMT prema DMT otvara se usisni ventil koji se zatvara nešto prije dolaska kilpa u DMT. Slijedi drugi takt ili komprimiranje smjese (zraka). Kretnjom klipa iz DMT prema GMT klip komprimira smjesu (zrak) koja se pali nekoliko stupnjeva prije GMT. Kod benzinskih motora svjećica pali smjesu zraka i benzina, a kod dizel motora gorivo se ubrizgava u cilindar u kojem je stlačeni zrak visoke temperature i ono se samozapaljuje. Treći takt je ekspanzija koja je radni takt. Klip se giba iz GMT prema DMT eksplozijom nastalom zapaljivanjem smjese. Nešto prije DMT otvara se ispušni ventil i klip svojim gibanjem prema GMT istiskuje izgorenu smjesu izvan cilindra. Nešto prije GMT otvara se usisni ventil koji dodatno pospješuje ispiranje cilindra. Dolaskom klipa u GMT zatvara se ispušni ventil i završava ispušni takt, te proces počinje ispočetka.
Četvorotaktni ciklus oto motora se sastoji od sledećih taktova (koraka rada), koji su prikazani i na animaciji:
- 1. Usisavanje goriva i vazduha kroz ventil, klip se kreće ka UMT, tj. povećava radni prostor
- 2. Sabijanje (kompresija) smeše goriva i vazduha, klip se kreće ka SMT, tj. smanjuje radni prostor
- 3. Sagorevanje goriva pokrenuto električnom iskrom, pritisak pokreće klip, klip se kreće ka UMT, tj. povećava radni prostor
- 4. Izbacivanje produkata sagorevanja, ciklus se vraća na korak 1, klip se kreće ka SMT, tj. smanjuje radni prostor
SMT (spoljna mrtva tačka) - najudaljenija tačka do koje može stići klip UMT (unutrašnja mrtva tačka) - najbliža tačka do koje može stići klip
Redni motori su motori s unutarnjim izgaranjem u kojima su dva ili više cilindara (najčešće 4) postavljeni u jednom redu.
Proizvode se s 4, 6, 8, 10 ili 12 cilindara (paran broj cilindara od 4 naviše). Postavljaju se pod kutom od max. 60 stupnjeva čime se štedi na veličini motora. U motocikle se ugraduju i V motori s dva cilindra.
Bokser-motor ili motor s protuhodnim klipovima je motor s unutarnjim izgaranjem kod kojeg su cilindri smješteni jedan nasuprot drugome u jednoj horizonalnoj ravnini (pod kutem od 180°). Obično imaju paran broj cilindara: 2,4 ili 6. Prvi i najpoznatiji proizvođač je Porsche, koji je prvi konstruirao i upotrebio u svojim automobilima pri kraju 2. svjetskog rata (1946. godine).
U brodskoj primjeni tj. za velike motore izrađivao se Doxford motor.
Kombinacija 'rednog' i 'V motora' prednost vr motora nad v motorima jest to sto su vr motori manjih dimenzija. vr je zapravo v motor samo sto cilindri ne stoje pod kutom od 90°ili 60° stupnjeva nego pod kutom od 15° stupnjeva.
Osnovni dijelovi motora ovise o njegovoj izvedbi i veličini. Osnvni dijelovi motora mogu biti (ili jesu): temeljna ploča, blok motora, koljenasto vratilo, stapajica, ojnica, križna glava, košuljica cilindra, stap (klip), glava motora, ispušni i usisni ventili, rasprskač (goriva) i visokotlačna pumpa za ubrizgavanje goriva kod Diesel motora ili karburator i svjećica kod Otto motora, bregasto vratilo, pogon bregastog vratila, zamašnjak,...
Temeljna ploča je donji dio motora na kojem počiva cijeli motor, odnosno ona je temelj cijelog motora. Na nju se smještaju temeljni ležajevi, te koleničasto vratilo, a također, na nju se učvršćuje blok motora. Temeljna ploča je učvršćena na posteljicu ili ležište motora temeljnim vijcima. Donja strana temeljne ploče završava se kadom, koja služi kao spremište za ulje za podmazivanje kod manjih motora, a kod većih motora kada služi za sakupljanje i odvođenje ulja u poseban za to predviđen tank.
Blok motora je dio motora koji se proteže od temeljne ploče do glave motora. U njemu se nalaze cilindri motora, odnosno provrti u koje će biti smještene košuljice. Jednostavno rečeno, blok motora je nepomična ljuštura u koju će se ugraditi pokretni dijelovi motora. Pored provrta za košuljice, u njemu se nalaze i provrti za hlađenje motora kojima cirkulira rashladno sredstvo. Blok motora kod automobila najćešće se izrađuje od lake legure zbog smanjenja cijelokupne mase automobila. Blokovi velikih motora (kao što su brodski) izrađuju se lijevanjem od željeza.
Koljenasto vratilo ili radilica služi da pravocrtno gibanje klipa pretvori u rotirajuće gibanje na izlazu iz motora, te da energiju koju je klip predao ojnici, a potom ojnica koljenastom vratilu, prenese na izlaznu osovinu. Ona tu energiju predaje dalje, na kotače kod vozila, odnosno na osovinu brodskog vijka, na osovinu vlaka,...Koljenasto vratilo sastoji se od niza koljena po kojima je dobilo ime. Koljena leže na temeljnim ležajevima, a sredina koljena je spojena na leteći ležaj. Vratilo u oba slučaja ima ulogu osnaka ležaja.
Klipnjača je spoljni element između klipa i koljenastog vratila kod malih motora, odnosno između križne glave motora i koljenastog vratila kod velikih brodskih motora. Klipnjača (ojnica) svojim kretanjem učestvuje u pretvaranju pravolinijskog kretanja klipa u okretno kretanje koljenastog vratila. Izrađuju se kovanjem ili livenjem.
Kod velikih motora (brodskih motora) ne koriste se klipnjače direktno spojene na klipove zbog velikog hoda samog klipa, odnosno velikih masa u kretanju koje bi zbog velikih bočnih sila vrlo brzo uništile košuljicu. Kod takvih motora se poništenje bočnih sila vrši uređajem kojeg nazivamo križna glava. Križna glava omogućuje klipu što veći hod, kod brodskih motora hod klipa može biti i više od 4 puta veći od promjera klipa (iznosi nekoliko metara).
Cilindarska košuljica je obrada od legure otporan na visoke temperature, koji je umetnut u blok motora, a kod manjih motora može biti dio bloka, odnosno izliven skupa s blokom motora. Njezina je uloga prihvaćati toplinu nastalu izgaranjem te ju preko rashladne tekućine prenositi u okolinu, a također, prihvaćati sile koje se razvijaju prilikom izgaranja i gibanja klipa. Košuljice dvotaktnih i četverotaktnih motora se razlikuju po izvedbi, kod dvotaktnih motora one imaju kanale za izmjenu medija pri njenom donjem dijelu, dok košuljice četverotaktnih motora to nemaju.
Stap (klip) je dio motora koji oslobođenu energiju ekspanzije prenosi na ojnicu i koljenasto vratilo kod manjih motora, dok kod brodskih motora stap energiju prenosi na stapajicu koja je križnom glavom spojena na ojnicu, a ona je spojena na koljenasto vratilo.
Ventili su najčešće smješteni u glavi cilindra, tj. na vrhu cilindra. Najčešća je izvedba od po dva ventila po cilindru, kod većine četverotaktnih motora, dakle jedan usisni i jedan ispušni. U novijih vozila benzinskog motora pojavljuje se izvedba od četiri ventila po cilindru: dva usisna i dva ispušna. Rijetko se pojavljuje i izvedba s tri ventila po cilindru. Kod takve izvedbe jedan je usisni ventil, a dva su ispušna. Ventili su pogonjeni bregastim vratilom koje je zupčastim remenom spojeno na koljenasto vratilo motora. Bregasto vratilo mora biti usklađeno s koljenastim vratilom zbog vremena otvaranja i zatvaranja ventila da klip ne udari o ventile dok se giba u cilindru. Dvotaktni motori imaju samo ispušni ventil ili ventile, dok je usis izveden pomoću pumpa za ubrizgavanje goriva
Visokotlačna pumpa za ubrizgavanje goriva je uređaj za ubrizgavanje goriva u cilindre motora kod Dieselskih motora. Tlak ubrizgavanja je rastao tijekom razvoja motora te se danas popeo do 1200 bara.
Rasprskač goriva je uređaj koji služi da u određenom trenutku procesa gorivo ubrizga u obliku finih čestica i rasprši ga u cilindru radi samozapaljenja smjese goriva i zraka. Ovaj postupak se vrši kod diesel motora.
Bregasto vratilo je vratilo koje svojim brijegovima pomaže otvaranju usisnih, odnosno ispušnih ventila. Ono je spojeno s koljenastim vratilom zbog točnog otvaranja i zatvaranja pojedinih ventila, da se ne dogodi udaranje klipa u ventile. Može biti povezano na koljenasto vratilo na četiri načina: 1.zupčastim remenom i zupčastim remenicama, 2.lancem i lančanikom, 3.kosom osovinom, 4.zupčanicima.
Motori s unutarnjim izgaranjem danas imaju vrlo široku primjenu. Glavni su pokretači automobila, broda, vlaka, zrakoplova, služe kao pogon za mnoge sisaljke, generatore struje, i još mnogo drugih stvari. Različitih su izvedbi i veličina, od vrlo malih za pogon maketa do vrlo velikih brodskih motora.
- ↑ Encyclopædia Britannica. „Encyclopedia Britannica: Internal Combustion engines”. Britannica.com. Pristupljeno 28. 08. 2010.
- ↑ „Internal combustion engine”. Answers.com. 09. 05. 2009.. Pristupljeno 28. 08. 2010.
- ↑ „Columbia encyclopedia: Internal combustion engine”. Inventors.about.com. Arhivirano iz originala na datum 2012-07-21. Pristupljeno 28. 08. 2010.
- ↑ „Private Tutor”. Infoplease.com. Arhivirano iz originala na datum 2011-05-15. Pristupljeno 28. 08. 2010.
