Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní oběhy zážehových a vznětových motorů. 4. Tepelná bilance a účinnosti spalovacího motoru. 5. Kinematika a dynamika klikového ústrojí. 6. Základy konstrukce pístových spalovacích motorů. 7. Palivové soustavy zážehových motorů - nepřímé vstřikování. 8. Palivové soustavy zážehových motorů - přímé vstřikování. 9. Palivové soustavy vznětových motorů. 10. Ekologické aspekty provozu spalovacích motorů. 11. Charakteristiky, regulace a měření spalovacích motorů. 12. Zapalovací soustavy zážehových motorů. 13. Elektrické příslušenství spalovacích motorů. 14. Chladicí a mazací soustavy spalovacích motorů. Spalovací motory Ing. Jan Hromádko, Ph.D. Témata přednášek

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Oběhy pístových spalovacích motorů Proces přeměny chemické energie kapalného paliva na energii tepelnou a dále na mechanickou práci spalovacího motoru je velmi složitý. Matematické vyjádření tohoto procesu je velmi složité. Průběh pracovního procesu v motoru představuje jeho pracovní oběh. Rozbor oběhu slouží jako základní podklad pro posouzení důležitých veličin a hodnot motoru, jako např. využití tepla, středního tlaku na píst, dosažených teplot atd. Teoretický rozbor oběhu, tj. takový, který se může matematicky vyjádřit, se neobejde bez zjednodušených předpokladů. Proto se počítá buď s oběhem ideálním nebo teoretickým, podle stupně zjednodušení. Oba oběhy tvoří skupinu tzv. oběhů porovnávacích. Průběh skutečného oběhu lze zjistit pouze měřením. Získáme skutečný oběh.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Ideální pracovní oběh Pracovní oběh je uzavřený, náplň se nevyměňuje, je konstantní a oběh je dokonale vratný. Pracovní látkou je čistý dvouatomový plyn. Měrná tepla jsou konstantní. Plyn se řídí stavovou rovnicí p · V = n · r · T Komprese a expanze probíhají adiabaticky, s exponentem změny stavu k = 1,4 = konst. Přívod tepla do oběhu probíhá jen za stálého objemu nebo za stálého tlaku nebo v této kombinaci. Odvod tepla probíhá za stálého objemu. Stěny pracovního prostoru jsou tepelně indiferentní. Teplo neabsorbují, nepropouštějí ani nevydávají. Stejně tak píst, který se ve válci pohybuje bez tření. Neexistují ztráty netěsností spalovacího prostoru ani žádné jiné ztráty. Ideální oběh umožňuje rozlišit a teoreticky posoudit rozdíly mezi základními typy motorů jako benzínový, naftový, přeplňovaný apod.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Teoretický pracovní oběh Zpřesněním ideálního oběhu vznikne oběh teoretický. Od ideálního se liší v těchto bodech: Náplň válce se vyměňuje. Umožňuje to rozlišit motor dvoudobý a čtyřdobý. Pracovní látkou jsou náplně skutečných plynů nebo směsí se stálými nebo proměnnými měrnými teply. Komprese a expanze probíhají polytropicky, s exponentem změny stavu n‚ zpravidla empiricky zjištěným a závislým na parametrech motoru. Teoretický oběh se přibližuje skutečnosti podstatně víc než oběh ideální. Dovoluje posouzení motorů stejného typu.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Skutečný pracovní oběh Skutečný pracovní oběh je ovlivněn složitým průběhem přívodu tepla do oběhu, vzájemnou výměnou tepla mezi náplní a stěnami pracovního prostoru válce a řadou ztrát tlakových, mechanických a průtokových. Zjištění průběhu se provádí měřením, většinou ve formě měření závislosti tlaku ve spalovacím prostoru na zdvihovém objemu válce nebo úhlu pootočení klikového hřídele. Měření se označuje jako indikace (indikování) motoru a zjištěná závislost je indikátorový diagram. Indikátorový diagram sice podává skutečný obraz změny tlaku ve válci měřeného motoru, pro teoretické posouzení motorů však není vhodný.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagramy pracovních oběhů Tlakové poměry se určují diagramem, který ukazuje závislost průběhu tlaku p na objemu válce V, tj. funkci p = f (V) (p-V diagram). Plocha, uzavřená diagramem, odpovídá mechanické práci buď vykonané nebo spotřebované. Používají se i tzv. rozvinuté diagramy, kde tlak p je v závislosti na úhlu pootočení kliky klikového ústrojí  označují se jako p-  diagramy. Dále se určují teplotní a tepelné poměry, které jsou názornější v entropických diagramech. V nich jsou zobrazeny průběhy všech tří veličin stavu, tj. p, V a T na změně entropie  S. Kromě tlakových, teplotních a tepelných poměrů umožňují hodnoty diagramů vyjádřit tepelnou účinnost oběhu (vyjadřuje míru využití přivedeného tepla) a střední tlak na píst (umožňuje stanovit výkon motoru).

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagramy ideálních pracovních oběhů Současné vozidlové pístové spalovací motory pracují se dvěma základními druhy pracovních oběhů. Motory zážehové (benzínové) s oběhem s přívodem tepla za stálého objemu (izochorickým) Motory vznětové (naftové) s oběhem se smíšeným přívodem tepla, částečně za stálého objemu, částečně za stálého tlaku (izobarickým). U obou oběhů je odvod tepla izochorický. Přeplňované verze obou druhů motorů jsou obvykle opatřeny turbodmychadly a pracují s oběhem s prodlouženou expanzí.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru Objemy: Poměry objemů:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru Tlaky: Poměry tlaků:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru V následující tabulce jsou znázorněny vztahy pro výpočet tlaků a teplot:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru Tepelná účinnost Stanoví se podle obecného výrazu: Dále platí: Pak tepelná účinnost je: → → → Tepelná účinnost tohoto ideálního oběhu závisí pouze na stupni komprese e.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru Střední ideální tlak na píst Hodnota mechanické práce oběhu se vyjadřuje středním tlakem: → kde:W id je mechanická práce ideálního oběhu [J] p id je střední tlak na píst ideálního oběhu [Pa] dále: pak: →

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru Střední ideální tlak na píst dále dosadíme: pak: → Hodnota součinitele  je i mírou přivedeného tepla q p. Střední tlak oběhu tedy roste se vzrůstem q n,  t a p 1. Zmenšuje se s růstem T 1. Vliv  je celkově kladný, protože ovlivňuje podstatně hodnotu  t.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu zážehového motoru entropický diagram Izochory jsou křivky stejných tvarů, vodorovně posunuté ve směru osy entropie. Adiabaty (izoentropy, s = konst.) jsou kolmé k ose entropie. Plocha pod křivkou změny stavu odpovídá množství tepla přivedeného nebo odvedeného.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu vznětového motoru

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu vznětového motoru Vztahy mezi objemy tlaky jsou obdobné jako u oběhu předchozího. Navíc je: Objemy: Poměry objemů: Stupeň expanzezde není shodný se stupněm komprese je mezi nimi vztah:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu vznětového motoru V následující tabulce jsou znázorněny vztahy pro výpočet tlaků a teplot:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu vznětového motoru Tepelná účinnost Stanoví se podle obecného výrazu: jsou-li tepla pak když pak nebo

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu vznětového motoru Tepelná účinnost S rostoucím součinitelem  hodnota celého výrazu označeného A mírně klesá, účinnost roste. S rostoucím  se sice zvětšuje plocha diagramu a tím i práce oběhu, roste však i hodnota výrazu A a účinnost klesá. Vliv  na hodnotu je stejný jako u předchozího oběhu.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Diagram ideálního oběhu vznětového motoru entropický diagram Křivky 1,4 a 2,23 jsou izochory, křivka 23,3 je izobara. Protože c v < c p mají izochory strmější průběh než izobara.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Teoretické oběhy nepřeplňovaných motorů Zahrneme-li do rozboru pracovního oběhu předpoklady stanovené pro teoretické oběhy, získáme výpočtem takové hodnoty teplotních a tlakových veličin oběhu, které zhruba odpovídají hodnotám oběhů skutečných motorů. Diagramy, sestrojené z těchto hodnot, se nazývají teoretické nebo porovnávací a slouží s dostatečnou přesností hlavně k hodnocení a porovnávání uvedených parametrů skutečných motorů. Na obrázcích viz dále jsou schémata teoretických p-V diagramů motorů se smíšeným pracovním oběhem a s oběhem s izochorickým spalováním. První se používá k hodnocení nepřeplňovaného čtyřdobého motoru zážehového, druhý pro stejný motor vznětový.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Teoretické oběhy nepřeplňovaných motorů

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Teoretické oběhy nepřeplňovaných motorů 0-1 představuje izochorické a izobarické sání 1-2 polytropickou kompresi smíšený přívod tepla (hoření) resp. 2-3 izochorický přívod tepla 3-4 polytropickou expanzi 4-5 smíšený výfuk s izochorickým odvodem tepla Číselné indexy tlaků a objemů (a při výpočtu i teplot) zde mají stejný význam jako u oběhů ideálních. Pouze objem V 0 určuje objem skutečně nasátého množství, který se může stanovit jen při základním barometrickém tlaku p 0. Větší uzavřená plocha diagramu představuje kladnou práci motoru, menší plocha práci negativní. Tato negativní práce, způsobená výměnou náplně válce, snižuje hodnotu tepelné účinnosti motoru, středního tlaku na píst a tím i výkonu motoru.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Tlak na konci sání Při stanovení tlaku na konci sacího zdvihu, v bodě diagramu 1, vycházíme z úvahy, že množství tepla pracovní náplně na konci sání je dané součtem množství tepla čerstvé náplně (bod 0) na počátku sání a množství tepla zbytků spalin (bod 5), které zůstaly ve válci z předešlého pracovního oběhu. po vyjádření Čerstvá náplň se při průchodu od čističe vzduchu po sací ventil ohřeje od teplých částí motoru tak, že při vstupu do motoru má teplotu T 0 ´ rovnou T 0 +  T K, kde T 0 je atmosférické teplota,  T oteplení, které u nepřeplňovaných benzínových motorů představuje hodnotu 0 – 40 K u stejných motorů vznětových je  T = K.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Vyjádříme-li příslušné množství M stavovými rovnicemi, pak Za předpokladu, že poměry jsou konstantní, dostaneme dále je možno pakdále je možno pak výsledný vztah je

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Pokud není známý tlak na konci výfuku p 5 ‚ můžeme jej zhruba určit z empirického vztahu: jsou-li otáčky motoru v min -1 jsou-li otáčky motoru v s -1

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Teplota na konci sání V průběhu sacího zdvihu se chladná čerstvá náplň mísí s horkými zbytky spalin a tato směs se ještě ohřívá o stěny spalovacího prostoru. Proto je teplota na konci sání podstatně vyšší než počáteční teplota čerstvé náplně. Při stanovení T 1 vycházíme z úvahy, že množství pracovní náplně na konci sání tvoří součet množství čerstvé náplně a množství zbytků spalin. Dosazením stavových rovnic obdržíme množství: s výše uvedenými předpoklady a po úpravě je teplota na konci sání

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Neznámou teplotu T 5 do vztahu zpravidla dosazujeme. Její hodnota zhruba odpovídá teplotě výfukových plynů, změřené v daném režimu práce motoru při zkouškách na výkonové brzdě. Někdy se tato teplota určuje z empirického vztahu, uvedeného dále. Rozbor a určení optimálních hodnot tlaku a teploty při sání jsou velmi důležité, protože tyto hodnoty tvoří výchozí bod pro další průběh celého pracovního oběhu motoru.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Tlak na konci komprese Polytropický průběh komprese u skutečného motoru je způsoben řadou příčin. Mění se hodnoty měrných tepel během zdvihu, válec se nuceně chladí, na začátku komprese je teplota pracovní náplně nižší a odebírá teplo ze stěn pracovního prostoru, v průběhu komprese se náplň ohřívá na vyšší teplotu než mají stěny prostoru a teplo se odevzdává. Polytropický průběh má své oprávnění i z hlediska počtu otáček motoru. Označíme-li polytropický exponent kompresní křivky n 1 ‚ bude mezi počátkem a koncem komprese platit vztah →

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Polytropický exponent n 1 se obvykle určuje z jednoduchého empirického vztahu pro otáčky motoru n v s -1 S rostoucími otáčkami motoru se polytropický exponent blíží k hodnotě Poissonovy konstanty, průběh se přibližuje adiabatě, viz obr. pro otáčky motoru n v min -1

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Teplota na konci komprese Po dosazení stavových veličin za tlaky p 1 a p 2 v základní rovnici polytropy určíme teplotu T 2. Orientační hodnoty veličin na konci komprese u základních druhů motorů

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Tlak na konci hoření Určuje se stejně jako u oběhu ideálního Poměr zvýšení tlaku  se volí podle zkušenosti buď z konstrukce podobných motorů nebo se určuje jako optimální hodnota z hlediska tepelné účinnosti, středního indikovaného tlaku na píst, maximálních tlaků a teplot.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Teplota na konci hoření Teplotu T 3 můžeme stanovit analogicky s ideálním oběhem jako: pro oběh s izochorickým spalováním pro oběh smíšený Takto vypočtená hodnota teploty T 3, je poměrně málo přesná, a proto ji bereme obvykle jen jako hodnotu informační. Přesnější a používanější je výpočet z rovnice tepelné rovnováhy.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Rozsahy hodnot veličin na konci hoření u základních druhů motorů při jejich maximálních výkonech jsou v následující tabulce

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Tlak na konci expanze Výpočet odpovídá stejnému postupu jako u oběhu ideálního pro oběh smíšený pro oběh s izochorickým spalováním Exponent expanzní polytropy obvykle určujeme z empirického vztahu pro otáčky motoru n v min -1 pro otáčky motoru n v s -1 S rostoucími otáčkami exponent n 2 klesá a s ním se zmenšuje strmost expanzní polytropy.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Teplota na konci expanze Teplotu T 4 určíme ze stavové rovnice pro body 3 a 4: což je pro oběh smíšený a pro oběh s izochorickým spalováním

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Rozsah hodnot pro konec expanze u základních druhů motorů je uveden v následující tabulce:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Tlak na konci výfuku Výfukový ventil se teoreticky otevírá v bodě 4. Nastává okamžitý pokles tlaku na hodnotu, která představuje odpor výfukového systému a zůstává konstantní až do konce výfuku, bod 5. Uvedený konstantní tlak se buď dosazuje jako výsledek měření nebo se počítá z empirického vztahu (viz “Tlak na konci sání“). jsou-li otáčky motoru v min -1 jsou-li otáčky motoru v s -1 Tlak na konci výfuku je u pístových spalovacích motorů obvykle v mezích p 5 = (1,1 - 1,25) p 0.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet tlaků a teplot u teoretických p-V oběhů Teplota na konci výfuku Empirický vztah pro určení T 5 je kde: n [s -1 ] otáčky motoru Teplota na konci výfuku bývá při jmenovitých režimech benzínových motorů v mezích K, u naftových motorů K. Provoz mimo tyto rozsahy není ekonomický.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet středního tlaku na píst Vypočtené tlakové hodnoty teoretického oběhu nebo nakreslený p-V diagram umožňují určení teoretického středního indikovaného tlaku na píst, p it. Vyjádření vychází, stejně jako u oběhu ideálního, z poměru práce oběhu‚ představované plochou diagramu a zdvihového objemu. Grafické řešení je jednoduché. Plochu diagramu, získanou planimetrováním, převedeme na plochu obdélníka o základně rovné V z v měřítku objemů. Výška obdélníka představuje v měřítku tlaků diagramu hledanou hodnotu p it.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet středního tlaku na píst početně je kde: W it [J] je mechanická práce teoretického oběhu Hledaná práce (plocha) vznikne sloučením dílčích, matematicky vyjádřitelných, prací, podle schématu viz obr.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet středního tlaku na píst Hledaná práce tedy je: Jednotlivé práce jsou: » » → »

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet středního tlaku na píst Dosazením do vztahu pro p it a úpravou bude konečný vztah pro smíšený oběh. Pro oběh s izochorickým spalováním (  = 1) je Zatímco planimetrováním diagramu získáme přímo výslednou plochu. Výpočtem určíme pouze plochu představující kladnou práci. Zahrnutí negativní plochy znamená snížení vypočteného p it o  p = p 5 – p 1.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet středního tlaku na píst Známe-li stupeň plnosti diagramu h p, vyjadřující vztah mezi plochou diagramu teoretického a indikovaného (skutečného), můžeme na základě p it určit i střední indikovaný tlak na píst p i.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad teoretických p-V grafů zážehový motor vznětový motor

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad skutečných diagramů Jedná se o skutečný (naměřený) průběh tlaku ve spalovacím prostoru stanovený v závislosti a úhlu natočení klikového hřídele. K úhlu natočení klikového hřídele je pak stanoven objem motoru. Data byla naměřena na motoru Avie D (EURO3).

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad skutečných diagramů