NEKONVENCIONALNI OSMOTAKTNI CIKLUS MOTORA SA UNUTRAŠNJIM
SAGOREVANJEM
Jovan Dorić1), Ivan Klinar1), Nebojša Nikolić1)
Adresa:
1)Fakultet tehničkih nauka, Trg Dositeja Obradovića 6,
Kategorizacija rada:
ORIGINALNI NAUČNI RAD
21000 Novi Sad
Rezime: U radu je prikazana simulacija nekonvencionalnog ciklusa motora SUS. Ciklus koji je prezentovan se razlikuje od standardnog realnog ciklusa koji se danas najčešće koristi za dobijanje rada u motorima SUS. Prezentovane su
performanse termodinamičkog ciklusa za slučaj korišćenja novog zakona kretanja klipa. Date su neke osnovne karakteristike teorijskih ciklusa koji se danas koriste za opis procesa koji se odvijaju u cilindrima motora. Akcenat je stavljen na nedostatke realnih ciklusa u motorima kao i smernice koje bi doprinele da se ovakvi nedostaci umanje.
Osmotaktni ciklus motora SUS koji je prezentovan odlikuje se povoljnijim promenama nad radnim telom što za posledicu
ima povećanje desnokretnog dela PV dijagrama kao i umanjenje levokretnog dela ciklusa. Pre svega novim zakonom
kretanja klipa realizovano je dovođenje toplote pri konstantnoj zapremini, povećanje koeficijenta punjenja cilindra kao
i potpunije širenje radnog tela nego što je to slučaj kod konvencionalnog kretanja klipa. Modifikovani zakon kretanja
klipa omogućava veću efikasnost motora i manje zagađenje životne okoline.
Ključne reči: motor SUS, termodinamički ciklus, kinematika
1. UVOD
konstantnom pritisku i konstantnoj zapremini. Međutim
Tokom 130 godina razvoja motor SUS je preras- čak i ovakva podela unosi velike greške u kalkulaciji stvatao u najefikasniju toplotnu mašinu, ipak njegov koefici- rne vrednosti efikasnosti u odnosu na realan ciklus. Kako
jent korisnog dejstva je relativno nizak u odnosu na neke je bilo spomenuto, kod oto ciklusa toplota se dovodi pri
druge motore. Današnji oto motor poseduje stepen isko- konstantnoj zaprmini kao što je prikazano na slici 1. Prorišćenja od oko 25%, dok dizel konstrukcije imaju negde mene u TS dijagramu za isti ciklus se mogu videti na slici 2.
oko 30% iskorišćenja. Aproksimativno 35% energije kod
oto motora i 30% energije kod dizel motora odlazi kroz
izduvne gasove i oko 33% energije kod obe verzije odlazi
na hlađenje ovih motora. Ostalih 7% se nepovratno odvodi kroz frikciju i radijaciju. Kao ilustracija se može uzeti u
obzir sagorevanje 1 litre goriva ukupne energetske vrednosti od 39 [MJ]. Na izlaznom vratilu konvencionalnog
motora se u najboljem slučaju može generisati izlazna
energija od 13[MJ] dok se ostalih 26 [MJ] bespovratno
gubi. Pri tome treba imati u vidu da je spomenuta računica izvedena za režime maksimalne efikasnosti, u toku
eksploatacije ovakvih motora oni uglavnom rade na parcijalnim opterećenjima gde je efikasnost još niža [1]. Jedan
od razloga ovako poražavajućeg energetskog bilansa
Slika 1. PV dijagram oto ciklusa.
sadržan je u relativno prostoj kinematici klipnog mehanizma. Dobro je poznato da na kraju takta širenja u cilindru
Uočava se da se ciklus sastoji od dve izohore i
motora vladaju još uvek visoki pritisci i temperature. dve izentrope, pri čemu se toplota dovodi pri konstantnoj
Zatim poznato je da realan motor nije u stanju da izvede zapremini duž stanja radnog tela 2-3. Dok se temperatura
dovođenje toplote pri konstantnoj zapremini. Ovi kao i odvodi tokom promene 4-1. Kompresija i širenje se odvimnogi drugi aspekti današnjih motora utiču na drastično jaju duž procesa 1-2 i 3-4 respektivno.
smanjenje efektivnog koeficienta korisnosti u odnosu na
teorijsku mogućnost motora. U ovom radu će biti predstavljn novi zakon kretanja koji ima za cilj približavanje
realnog ciklusa teorijskom i na taj način uvećanje efektivnog stepena korisnosti.
2. TEORIJSKI CIKLUSI MOTORA SUS
Opis rada današnjih benzinskih motora SUS se
bazira na teorijskoj podlozi dobro poznatog oto ciklusa
[2]. U poređenju sa dizel i sabateovim ciklusom, teorijski
oto ciklus ima najveći stepen efikasnosti za zadati stepen
sabijanja. To je i očikavno sobzirom na termodinamičku
postavku ovih ciklusa. Ovi ciklusi se prvenstveno razlikuju po načinu dovođenja toplote. Mada danas postoje
motori čiji se rad može aproksimirati i nekim drugim ciklusima koji se razlikuju po načinu odvođenja toplote [3],
takvi ciklusi sobzirom na malu zastupljenost u današnjim
motorima (Milerov i Atkinsonov ciklus) u ovom radu neće
biti analizirani. Način na koji će se dovesti toplota radnom
telu u cilindru motora SUS je esencijalna za sve parametre
rada motora [2]. Pre svega efikasnost kao najvažniji izlazni parametar motora je funkcionalno zavisna upravo od
fenomena dovođenja toplote [4]. Samo grubo se može napraviti podela ciklusa prema načinu dovođenja toplote pri
'(& ") $#! " & *)%#
% "$
&%#
Slika 2. TS dijagram oto ciklusa
Stepen iskorišćenja teorijskog oto ciklusa se definiše izrazom (1).
η otot =
1
W CV ¬(T3 − T2 ) − CV ¬(T4 − T1 )
T −T
=
= 1 − 4 1 = 1 − κ −1 (1)
Qd
CV ¬(T3 − T2 )
T3 − T2
ε
Uočava se da je jedini uticajni faktor stepen sabijanja , koji predstavlja konstruktivni faktor dok predstavlja odnos specifičnih toplota radnog tela i na njega se ne
može uticati mnogo, uglavnom je vezan za sastav radnog
tela. Sada se mogu uporediti oto, dizel i sabateov ciklus u
PV i TS dijagramu. Poređenje je najbolje izvesti u istim
granicama stepena sabijanja i stepena širenja kao i pri jednakoj količini dovedene toplote-slika 3 i 4. Odnos dovedene toplote pri konstantnoj zapremini i konstantnom pritisku može da varira kod sabateovog ciklusa, ali će uvek nalaziti u granicama oto i dizel ciklusa.
Slabost motora koji rade po oto ciklusu se krije u
nemogućnosti podizanja stepena sabijanja u oblast koja se
može postići kod na primer dizel motora. Tako da iako
efikasniji oto ciklus ne može da bude konkurentan dizel
ciklusu koji poseduje veću efikasnost na račun uvećanog
stepena, tok efikasnosti za ova dva ciklusa u funkciji stepena sabijanja se može videti sa slike 5. Razlog što oto
motori ne mogu da rade sa visokim stepenom sabijanja je
posledica detonacije u cilindru motora. Detonatno sagorevanje je izuzetno opasno za motor, veoma brzo dolazi do
oštećenja klipa i ostalih elemenata koji formiraju komoru
za sagorevanje. Detonacija predstavlja vid eksplozivnog
sagorevanja u toku koga homogena smeša sagoreva skoro
trenutno uz nagli porast pritiska i temperature. Nastaje kao
posledica pojave centra upaljenja ispred regularnog fronta
Slika 3. Poređenje teorijskih ciklusa motora SUS u PV dijagramu
Slika 4. Poređenje teorijskih ciklusa motora SUS u TS dijagramu
Relacije koje definišu stepen efikasnosti dizel i
sabateovog ciklusa mogu se napisati preko izraza (2) i (3)
respektivno:
C ¬(T4 − T1 )
W
1
ρκ −1
(2)
η dizel t =
= 1− V
= 1−
¬
Qd
C P ¬(T3 − T2 )
ε κ −1 κ ¬(ρ − 1)
W
1
π ¬ρ κ − 1
(3)
= 1 − κ −1 ¬
Qd
π − 1 + π ꬬ(ρ − 1)
ε
(
Iz priloženih relacija se mogu uočiti
pojedine
dizel
η kombinovan
it =
η toto = f (ε )
η tdizel = f (ε , ρ )
η tsabate = f (ε , ρ , π )
(4)
funkcionalne zavisnosti ova tri ciklusa:
Naravno sva tri ciklusa zavise i od osobina
radnog tela ali se na nju ne može uticati suštinski kao na
ostale parametre koji su definisani relacijama. Prema tome
za razliku od oto ciklusa kod druga dva ciklusa situacija je
nešto složenija pa je i optimizacija dovođenja toplote kod
ovih ciklusa kompleksnija [4]. U svakom slučaju može se
napisati sledeći izraz koji važi samo za slučaj konstantog
stepena sabijanja i konstantne dovedene toplote.
η toto η tsabateov η tdizel
(5)
Uočava se dakle da teorijska korisnost termodinamičkog ciklusa kod oto, dizel i sabateovog koncepta ima
funkcionalnu zavisnost od različitih parametara. Ti parametri su dati u relacijama (4). Prema tome, u teorijskom
smislu svako odstupanje od dovođenja toplote pri konstantnom smanjuje efikasnost ciklusa, što se može i grafičkim
putem predstaviti na slikama 5 i 6.
Slika 6. Prostorna analiza uticaja stepena sabijanja i
porasta pritiska ( ) na stepen korisnosti ciklusa
plamena, od kojih se sagorevanje prostire veoma brzo,
zahvatajući praktično celu preostalu smešu. Nastali talasi
pritiska kreću se brzinom zvuka kroz prostor sagorevanja,
udaraju o zidove i izazivaju vibracije metalnih delova [5].
Tako da se ovakav vid oslobađanja toplote manifestuje
zvukom sličnim udaru metal o metal. Kod upotrebe nekih
alternativnih goriva mogu se ostvariti veći stepeni korisnosti [6]. Poređenje sva tri ciklusa u funkciji stepena sabijanja i porasta pritiska može da se vidi na slici 5 i 6, gde su
priložene ravanske i prostorne analize respektivno.
3. REALAN CIKLUS OTO MOTORA
Kao što je opisano oto ciklus poseduje potencijale za najveću ekonomičnost, ali u praktičnim izvedbama
motora SUS ovaj potencijal ne može da se iskoristi. Razlog toga se sadrži u više faktora, od kojih su najuticajniji
priroda goriva koje koristi oto motor, kao i neki aspekti odvijanja realnog ciklusa koji će biti u daljem tekstu opisani.
Pored navedenog nedostatka realnih benzinskih motora,
koji je usko vezan za osobine goriva, jedan od problema
realizacije stvarnog ciklusa se ogleda i u načinu dovođenja toplote. Iako u idealnom smislu dovođenje toplote se
odvija pri konstantnoj zapremini, kod realnog motora ovakvo dovođenje toplote nije moguće. Razlog toga je što je
kinematika klipnog mehanizma tako koncipirana da praktično u radu motora ne postoji vremenski period kada može da se govori o postojanju konstantne zapremine. Naravno postoji period kada je promena zapremine najmanja u
funkciji promene ugla kolenastog vratila, ali čak ni tu ne
može da se govori o konstantnosti već samo o maloj promeni zapremine. Sa druge strane, sagorevanje goriva predstavlja hemijsku reakciju koja se odvija relativno brzo.
Međutim, iako veoma brza hemijska reakcija, sagorevanje
se odvija konačnom brzinom. Sagorevanje u cilindru motora treba shvatiti kao kretanje fronta plamena od svog žarišta do najudaljenijih delova zapaljive smeše.
Slika 5. Ravanska analiza uticaja stepena sabijanja i
porasta pritiska ( ) na stepen korisnosti ciklusa
'(& ") $#! " & *)%#
% "$
&%#
Takođe se uočava da postoji izvestan porast pritiska tokom takta izduvavanja, ovo je posledica male otvorenosti ventila na početku takta izduvavanja. Drugim rečima standardno kretanje klipa utiče na povećanje pumpnog
rada motora.
Slika 7. Razlike između teorijskog i realnog oto ciklusa
Prema tome front plamena predstavlja jedan vid
granice između produkata sagorevanja i sveže smeše koja
još nije sagorela. Upravo zbog toga dolazi do dovođenja
toplote pri promenljivoj zapremini. Ako se pogleda sl. 6,
uočava se da svaki vid dovođenja toplote koji odstupa od
dovođenja pri konstantnoj zapremini rezultuje umanjenju
efikasnosti. Postepeno dovođenje toplote kod realnog motora rezultuje razlikama PV dijagrama kod realnih i idealnih ciklusa, ilustrativno opisano na sl. 7. Proces kretanja
fronta plamena se odvija u više faza i zavisi od mnogih faktora, ali se njegova brzina ne menja suštinski u funkciji
ugla obrtanja kolenastog vratila i može se veoma tačno
opisati Vibeovom funkcijom koja opisuje priraštaj dovedene toplote u funkciji ugla kolenastog vratila [7], pri čemu
je ovaj model dovođenja toplote u ovom radu i korišćen.
Drugi faktori koji takođe ne idu u prilog ekonomičnosti sadržani su u činjenici da zbog nemogućnosti mirovanja klipa u unutrašnjoj mrtvoj tački-UMT, izduvni ventili moraju ranije da se otvore, ne bi li sprečili veliki porast pritiska
na početku takta izduvavanja. Na taj način usled ranijeg
otvaranja ventila dolazi do pada pritiska pre nego što je
klip došao u UMT. Iako se u idealnom smislu širenje odvija tokom kretanja klipa od SMT (spoljašnja mrtva tačka)
do UMT u relanom motoru takvo širenje ne može da se
ostvari. Razlog se nalazi u samom načinu razvoda radnog
tela i kinematici klipnog mehanizma. Praksa je pokazala
da je bolje izduvni ventil otvoriti pre nego što klip dođe u
UMT, i to utoliko ranije ukoliko je motor brzohodniji. Naravno, postoji samo jedna optimalna tačka na liniji ekspanzije koja obezbeđuje dobijanje maksimalnog pozitivnog
rada i minimalnog rada izduvavanja. Suviše rano otvaranje izduvnog ventila dovelo bi do gubitka pozitivnog rada
zbog preranog prekidanja ekspanzije, dok bi suviše kasno
otvaranje ovog ventila dovelo do povećanja rada koji se
troši na izbacivanje produkata sagorevanja, odnosno ovaj
negativan rad bi bio veći od rada dobijenog produženom
ekspanzijom, opisano slikom 8.
Slika 8. Optimalni ugao otvaranja izduvnih ventila
'(& ") $#! " & *)%#
% "$
&%#
Slika 9. PV dijagram parcijalnih opterećenja
Bitna karekteristika svakog motora jeste veličina
njegovog pumpnog rada. Pumpni rad WPR je definisan
sledećom relacijom koja je data u sastavu slike 9. Na slici
9 je ilustrativno prezentovan PV dijagram za parcijalna opterećenja. Kao što je poznato kod idealnih ciklusi ne postoji površina koju obuhvata pumpni rad, to je jedan od razloga zbog čega je idealni ciklus ekonomičniji od realnog, i
razlog težnje da se smanji pumpni rad. Svi gubici vezani
za pumpni rad proizilaze iz kretanja sveže smeše. U realnim uslovima pumpni rad nikada ne može biti jednak nultoj vrednosti, jer se uvek mora uložiti rad na transport sveže smeše i produkata sagorevanja. Zaključuje se da standradna kinematika klipnog mehanizma ostavlja negativne
posledice na efiksanost motora, u daljem tekstu će biti predstavljene razlike između standardnog i novog modifikovanog kretanja klipa.
4. KINEMATIKA KLIPNOG MEHANIZMA
Iako postoji mnogo različitih izvedbi klipnih motora, rezultati konvencionalne kinematika kada je reč o hodu klipa ima približan izgled zakona kretanja sa sl. 10. Naravno ovde je reč o konkretnim veličinama kinematskog
faktora, dužine klipnjače, poluprečnika kolenastog vrtaila.
Slika 10. Hod klipa konvencionalnog motora
Ovakva konvencionalna kinematika klipnog
mehanizma ne može da obezbedi mirovanje klipa u SMT
u cilju dovođenja toplote pri konstantnoj zapremini ili na
primer mirovanja klipa u UMT radi potpunijeg širenja radnog tela. Varijacijom pojedinih parametara se može očekivati malo poboljšanje nekih karakteristika, na primer kinematski faktor ima uticaj na vreme koje klip provede u
blizini SMT, ali nikako u smislu konstantnosti zapremine
već samo u slislu manje promene zapremine po vremenu i
to u vrlo uskim granicama. Ista konstatacija važi i za zadržavanje klipa u blizini UMT, može se reći da konvencionalna kinematika omogućava klipu relativno ograničeno
kretanje koje nije podložno promenama. Praktično postoje
dva načina koja mogu da dovedu do povoljnijeg dovođenja toplote. Jedan bi se mogao ostvariti putem veoma
brzog sagorevanja, gde bi se na taj način ostvario takav
porast pritiska da bi indicirani PV dijagram bio veoma blizu idealnog PV dijagrama. Međutim ovakav pristup je pre
svega teško izvesti a i nepovoljno utiče na vitalne delove
motora sobzirom da je reč o naglom porastu pritiska. Drugi način je rezervisan za modifikovanje samog zakona kretanja klipa, odnosno promene zapremine tokom sagorevanja. U ovom slučaju bi trebalo izvesti takvo kretanje
klipa da klip u SMT zastane određen vremenski period a
zatim ponovo počne da se kreće i vrši rad. Kako je bilo više puta spomenuto, konvencionalna kinematika klipnog
mehanizma nedozovljava manipulisanjem zakona kretanja klipa unutar cilindra, drugim rečima ovakva kinematika
ne dozvoljava variranje raznih parametara, kao što su dužina zastoja u SMT ili UMT, stepen kompresije, veličine
radne zapremine i sl. U daljem tekstu će biti dat opis zakona kretanja nekonvencionalnog klipnog mehanizma koji
omogućava kretanje klipa sa zastojem u SMT i UMT. Kako je poznato klip se kreće po zakonu koji je vrlo sličan
sinusnom zakonu, pri čemu se njegov hod menja u skladu
sa zadatim parametrima koji se već biraju u odnosu na potrebe radne zapremine, normalne sile na zidu cilindra, taktnosti i brzohodnosti motora. U svakom slučaju on više ili
manje odstupa od neke opšte sinusne promeni prikazane sl. 11.
Slika 11. Sinusna promena u funkciji ugla kolenastog vratila
Izrazi koji prate promene hoda, brzine i ubrzanja dati su
(6-8) respektivno.
s (α ) = s (α ) I + s (α ) II
s (α ) I = R ¬(1 −cos α )
R ¬λk
s (α ) II =
(1 − cos 2α )
4
v (α ) = v (α )Ι + v (α ) II
v (α ) I = Rω ¬sin α
Rωλk
sin 2α
2
a (α ) = a (α )Ι + a (α )ΙΙ
v (α ) II =
(6a)
(6b)
(6c)
(7a)
(7b)
(7c)
(8a)
a (α )Ι = Rω 2 cos α
(8b)
a (α )ΙΙ = Rω λk cos 2α
(8c)
2
Iz opisanih relacija uočava se da je brzina klipa
jednaka nultoj vrednosti samo za beskonačno mali vremenski interval. Ranije je bilo objašnjeno zbog čega je
ovakav konvencionalni zakon kretanja klipa nepovoljan,
pored mnogobrojnih nedostataka sada će biti dat akcenat
samo na mirovanje klipa u UMT i SMT.
Slika 12. Modifikovani sinusni zakon kretanja u cilju
ostavrivanja mirovanja klipa u SMT i UMT
Povoljniji zakon kretanja klipa bi mogao da se
predstavi krivom sa slike 12. Sa slike se uočava da je novi
zakon kretanja takav da klip miruje u SMT i UMT. Značaj
mirovanja klipa u SMT je prethodno objašnjen sa aspekta poboljšanja dovođenja toplote tokom sagorevanja smeše goriva i vazduha. Međutim i mirovanje klipa u UMT
ima još jedan svoj značaj pored prethodno objašnjenog,
koji je usko vezan za hidraulične tokove u usisnom sistemu motora. Klip se tokom kretanja u realnom motoru kreće velikim brzinama i ubrzanjima kao i stalnim promenama smerova ovih vektorskih komponenti. Protok smeše
goriva i vazduha ,ili samo vazduha u zavisnosti od vrste
motora, se ne kreće konstantnim protokom već promenljivim strujanjem. Upravo u ovoj činjenici se sadrži razlog
zbog koga je povoljno mirovanje klipa u UMT. Punjenje
cilindra zavisi od više faktora, a najviše od otpora u usisnom kolektoru, koji su raznoliki kod konvencionalnih motora. Razvodni mehanizam je tako konstruisan da se namerno ostavlja otvorensot usisnih ventila i jednim delom
tokom takta sabijanja, ova otvorenost doprinosi većem
punjenju cilindra iz razloga što je fluid koji ulazi u cilindar zapravo inertan fluid. Takav inertan fluid, koji je prethodno ubrzan posledicom brzih promena zapremine u cilindru motora tj. depresijom u cilindru, nastavlja punjenje
cilindra i kada klip miruje u UMT, iz tih razloga je povoljno zadržavanje klipa u UMT, naravno u racionalnim granicama. Pored fenomena mehanike fluida vezanih za rad
atmosferskih motora, potreba za mirovanjem klipa u
UMT je kod prehranjivanih motora isto od značaja. Kod
ovakvih motora, usisni kolektor je zapravo ulazni kolektor gde vlada nadpritiska, za razliku od usisnog kolektora
atmosferskog motora gde vlada depresija. Punjenje cilindra prehranjivanih motora, bilo turbo ili mehaničkim kompresorom, je vrlo kompleksan proces koji zavisi od brojnih termodinamčkih faktora, mirovanje klipa u UMT tokom punjenja cilindra je dragoceno jer za istu snagu kompresora uvećava stepen punjenja. Prethodno su definisani
razlozi zbog kojih je povoljno zadržavanje klipa u
graničnim položajima, međutim priroda kretanja klipa od
UMT ka SMT se odvija u konačnom vremenu. Naravno
od velike važnosti predstavlja optimizacija veličine zastoja klipa u ovim tačkama koja neće biti prezentovana ovim
radom. U svakom slučaju suviše dugo zaustavljanje klipa
u UMT ili SMT dovodi do degradiranja svih pokazatelja,
tako da se mora voditi računa o pravilnoj optimizaciji sinteze ovog mehanizma. Predstavljeni zakon kretanja praktično formira osmotaktni ciklus koji se sastoji iz sledećih
taktova.
• Prvi takt je takt usisavanja, kao i kod klasične postavke
i tokom ovog takta kretanje klipa od SMT ka UMT formira depresiju u usisnom kolektoru što rezultuje ulaskom
radne materije u cilindar motora.
• Drugi takt je takt slobodnog ulaska radnog tela. Ovaj
takt je posledica inertnosti radnog fluida, kao i uspostavljenog blagog podpritiska u cilindru motora. Proces slobodnog ulaska radnog tela počinje kada se klip zaustavi u
UMT i traje tokom mirovanje klipa u UMT dok se usisni
ventili ne zatvore.
• Treći takt je takt sabijanja, i potpuno je isti kao kod klasičnog zakona kretanja pa ovim tekstom neće biti detaljno
objašnjen.
• Sledeći četvrti takt je takt sagorevanja, za razliku od
standardnog motora kod opisanog kretanja sagorevanje se
odvija tokom mirovanja klipa u SMT. Pored toga, ne postoji potreba za ranijim skokom varnice pa je iz tog razloga na ovaj način izbegnut negativan rad.
• Peti takt je tak širenja, ovaj takt je vrlo sličan taktu širenja konvencionalnih motora. Jedina razlika se ogleda u činjenici da se širenje izvodi tokom celog hoda kretanja klipa
od SMT ka UMT bez otvaranja izduvnih ventila pri kraju
hoda širenja.
• Šesti takt je slobodno izduvavanje, tokom ovog takta
klip se nalazi u UMT dok se izduvni ventili polako otvaraju, na taj način radno telo koje se prethodno potpunije
raširilo sada napušta cilindar i time utiče na smanjenje
pumpnog rada.
• Sedimi takt je takt klasičnog izduvavanja, koji je sličan
sa standardnim taktom izduvavanja. Klip se kreće od
UMT ka SMT i istiskuje produkte sagorevanja.
• Poslednji takt rezervisan je za mirovanje klipa u UMT
tokom kojeg dolazi do izlaska produkata sagorevanja iz
'(& ") $#! " & *)%#
% "$
&%#
cilindra i početka ulaska sveže smeše u cilindar. Tokom
mirovanja klipa u UMT dolazi do blagog produvavanja.
5. SIMULACIJA
Da bi se uporedili četvorotaktni i osmotaktni ciklus motora potrebno je izvesti takvu simulaciju koja će se
odvijati pri identičnim uslovima. Međutim, ako se pogledaju slike 11 i 12 uočiće se da se ne mogu za oba zakona
kretanja klipa aplicirati isti zakoni kretanja ventila, jer kod
nekonvencionalnog kretanja klip pre dolazi u SMT i UMT
pa se vremena otvaranja i zatvaranja izduvnih i usisnih ventila moraju uskladiti. Tabelom 1 dati su izabrani parametri za obe izvedbe. Pre nego što se predstavi analiza radnih
procesa motora biće dat kratak opis matematičkih modela
koji su bili korišćeni u simulaciji. U radu je korišćeno jednodimenzionalno kompresibilno strujanje koje se zasniva
na konzervativnom sistemu održanja mase, energije i momenta. Ovo je najbitnija stavka vezana za tok simulacije
preko kojeg su rešavani svi problemi vezani za izlazne karakteristike motora.
Tabela 1
Radna zapremina [l]
pre nik/hod [mm/mm]
stepen sabijanja [-]
broj ventila po cilindru
IVO-trenutak otvaranja usisnog
ventila [CAo pre SMT]
2,71
120/120
10
4 (2 usisna 2 izduvna)
4 takta
8 taktova
0
10
IVDUR- otvorenost usisnog ventila
[deg]
pre nik usisnog ventila [mm]
235
245
44
44
EVO-trenutak otvaranja izduvnog
ventila [CAo pre UMT]
EVDUR-otvorenost izduvnog
ventila [deg]
pre nik izduvnog ventila [mm]
48.5
41
240
230
40
40
Posmatrani sistem toka fluida koji je definisan
dinamikom fluida se diskretizuje u male zapreminice pri
čemu za svaku od tih zapremina važe jednačine (9-11).
Održanje energije i mase je rezervisano za svaku ćeliju u
sistemu, dok se održanje momenta posmatra preko granice
dve susedne ćelije. Jednačine (9-11) su napisane u eksplicitno konzervativnoj formi:
dm
(9)
masa =
= m
nu cilindra, tj može da se napiše izraz (16):
mu1 Ru1Tu1 + mb1 Rb1Tb1 − PVc = 0
(16)
Poslednje tri jednačine se rešavaju metodom Njutnove iteracije. Kada je reč o načinu dovođenja toplote ona
se veoma uspešno simulira Vibeovom funkcijom, u ovom
radu je korišćen sledeći oblik (17):
( m +1 )
dx
a
=
¬(m + 1) ¬y m ¬e −a¬y
dα ∆α c
α −α0
dQ
pri emu važi dx =
i y=
Q
∆α c
(17)
i gde su:
Q-totalna energija uneta u proces
a-ugao pogonskog vratila
a0- ugao po etka sagorevanja
DaC-trajanje sagorevanja (u funkciji ugla)
m-parametar koji definiše oblik Vibeove funkcije
a-Vibeov parametar (a=6,9 za kompletno sagorevanje
Priraštaj dovedene toplote u zavisnosti od izabranog parametra m može da se vidi sa sl. 13.
Slika 13. Priraštaj sagorevanja goriva
Vibeova funkcija je posebno interesantna posle
njenog integraljenja, na taj način se dobija frakcija mase
goriva koja je sagorela od početka procesa sagorevanja
prikazano sledećom relacijom (18):
x=
dx
¬dα = 1 − e
dα
−a¬y ( m +1 )
(18)
dt
energija =
deT
=
dt
moment =
dmu
dp
= − A dx +
dt
dx
(10)
mh + izvori
mu − izvori
(11)
Ako se sistem u cilindru motora posmatra kao
jednozonski, komora za sagorevanje se tretira kao jedna
regija dok se u dvozonskom slučaju radni fluid unutar cilindra tretira kao dve regije (sveže smeše i produkata sagorevanja) kod kojih je jednak pritisak. U ovom radu su se
koristila oba modela u zavisnosti od potrebe analiza. Za jednozonski model jednačina održanja energije se može predstaviti preko relacije (12):
nventila
(12)
∆ ( mu ) =
mi hi − Q − P∆V
Tokom sagorevanja, jedini parametar entalpijskog toka je Dmihi što je posledica propagacije fronta plamena kroz nesagorelu zonu. Za dvozonski model u
nesagoreloj zoni važi (13):
(13)
mu1uu1 − mu 0uu 0 + P (Vu1 − Vu 0 ) + Qu − ∆mui hui = 0
Slika 14. Tok sagorevanja goriva
U ovom radu se analizirao slučaju kada Vibeov eksponent ima vrednost m=2.5 dok se sagorevanje apro-ksimiralo sa dovođenjem toplote u rasponu od 40 stepeni obrtanja kolenastog vratila. Simuliranje se izvršilo za dva ista
motora kod kojih je jedina razlika hod klipa i kretanje ventila. Korišćeni zakoni kretanja klipa mogu da se vide sa sl. 15
i =1
Koristeći jednačinu stanja, dobija se (14):
mu1uu1 − mu 0uu 0 + mu1 Ru1Tu1 − PVu 0 + Qu − ∆mui hui = 0 (14)
Slično za sagorelu zonu važi (15):
mb1ub1 − mb 0ub 0 + mb1 Rb1Tb1 − PVb 0 + Qb − ∆mbi hbi = 0 (15)
Kao dopunska jednačina može da se koristi činjenica da zapremine obe zone predstavljaju ukupnu zapremi-
'(& ") $#! " & *)%#
% "$
&%#
mirovanje klipa u SMT
bez mirovanja klipa u SMT
100
90
80
hod [mm]
70
60
50
40
30
20
10
0
-180
-90
0
90
180
270
ugao kolanastog vratila [deg]
360
450
540
Slika 15. Poređenje dva zakona kretanja klipa
Dobijeni rezultati pritiska u funkciji zapremine za
oba slučaja su prikazani na sl. 16. Uočava se ostvarena ve-
ća površina PV dijagrama za slučaj rada motora sa nekonvencionalnim kretanjem klipa.
60
Osmotaktni ciklus koji je prezentovan utiče na unapređenje ukupne efiksanosti pri svim analiziranim režimima,
unapređenje na punom oterećenju je opisano na sl. 19.
mirovanje klipa
konvencionalna kinematika
50
p [bar]
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
Vmax/Vmin
6
7
8
9
10
Slika 16. Poređenje PV dijagrama
Pored toga što su ostvarene povoljnije promene
nad radnim telom tokom sabijanja i sagorevanja, mirovanje klipa u UMT kao i optimizacija kretanja ventila dovodi
do potpunijeg širenja radnog tela i povećanje desnokretnog dela PV dijagrama. Na sl. 17 prikazano je kretanje
klipa i ventila, sa dijagrama se uočava da je preklop ventila veoma mali, kao i da do zatvaranja i otvaranja ventila
dolazi tokom mirovanja klipa u UMT i SMT. Ovakva
kinematika omogućava dobijanje većeg rada tokom širenja, radi boljeg pregleda na sl. 18 je prikazan deo PV dijagrama kada dolazi do otvaranja izduvnih ventila kod standrdne i osmotaktne izvedbe ciklusa.
Slika 17. Preklop ventila i nekonvencionalni hod klipa
Na taj način se pored iskorišćenja potencijala
radnog tela mogu umanjiti gubici usled smanjenja pritiska
na početku takta izduvavanja. Kako je kod osmotaktnog
ciklusa izvedeno mirovanje klipa u UMT izduvni ventili
imaju dosta vremena da formiraju velike protočne preseke
i time umanje pritisak tokom proticanja izduvnih gasova.
Slika 18. Zadržavanje visokog pritiska tokom širenja
Slika 19. Unapređenje efikasnosti korišćenjem osmotaktnog ciklusa
ZAKLJUČAK
Može se reći da je unapređenje efikasnosti motora SUS danas jedini cilj razvoja ovih pogonskih sistema.
U ovom radu je dat kratak opis teorijskih ciklusa za opis
rada motora SUS, akcenta je stavljen na nedostatke realnih ciklusa kao i načine na koji se može unaprediti efikasnost procesa u motoru. Predstavljen je novi zakon kretanja klipa koji se sastoji od osam taktova, usled čega je unapređen proces dovođenja toplote, odnosno omogućeno je
sagorevanje pri konstantnoj zapremini. Pored unapređenog dovođenja toplote, modifikovani zakon kretanja klipa
omogućava postizanje potpunijeg širenja radnog tela kao
i manji pritisak na početku takta izduvavanja. Prikazani
rezultati simulacije osmotaktnog ciklusa pokazuju znatan
porast efikasnosti.
LITERATURA
[1] Eichlseder, H., Wimmer, A., Potential of IC-engines as
minimum emission propulsion system, Atmospheric
Environment, Vol 37, pp. 5227–5236, 2003.
[2] Merker, G., Schwarz, C., Stiesch, G., Otto, F., Simulating Combustion, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
2006, Germany.
[3] Dorić, J., Klinar, I., Kinematic analysis of piston
mechanism in valveless internal combustion engine with
more complete expansion, International Congress Motor
Vehicles and Motors 2010, pp. 397-405, Kragujevac,
October 7-9, 2010.
[4] Yingru, Z., Jincan, C., An irreversible heat engine
model including three typical thermodynamic cycles and
their optimum performance analysis, International Journal
of Thermal Sciences, Vol. 46, pp. 605–613, 2007.
[5] Klinar, I., Motori sa unutrašnjim sagorevanjem,
Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2008.
[6] Nikolić, N., Antonić, Ž., Torović, T., The review of
natural gas application in motor vehicles through development of fuel system , IMK-14 - Istraživanje i razvoj, vol.
16, iss. 3, pp. 35-42, 2010.
[7] Tomić, M., Petrović, S., Spark Ignition engine part
load fuel economy improvement, Numerical consideration, FME Transactions, Volume 31 No 1, pp. 21-26,
2003.
Rad predstavlja deo istraživanja na projektu: „Investigation of the safety of the vehicle as part of cybernetic system:
Driver-Vehicle-Environment“, evidencioni broj TR35041, koji finansira Ministarstvo nauke Republike Srbije.
UNCONVENTIONAL EIGHT STROKE CYCLE FOR IC ENGINE
Abstract: This paper presents simulation of new unconventional thermodynamic cycle for internal combustion engine.
This new cycle have many diferences in relation to standard real cycle, which are widely used to obtain work in IC
engine. This article also presents performance of thermodynamic cycle where is used unconventional piston motion law.
Goal of this work is also to give some basic features of the theoretical cycle, which are used to describe the processes
occurring in the engine cylinders. Emphasis is placed on the shortcomings of the real cycle of the engines as well as
policies that would contribute to reduce these disadvantages. Eight stroke cycle for IC engines that is presented with this
article have favorable changes of the working body which results in an incresed area of PV diagram as well as decreasing of pumping work. Whit this new movement of the piston heat addition during constant volume can be achieved, also
volumetric efficiency has been improved and more complete expansion can be performed. A modified piston motion law
increases IC engine efficiency and reduces environment pollution.
Key words: IC engine, thermodynamic cycle, kinematic
'(& ") $#! " & *)%#
% "$
&%#
Download

ORIGINALNI NAUČNI RAD NEKONVENCIONALNI