Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Ing. Jan Hromádko, Ph.D. Témata cvičení 1. Úvod, bezpečnost a protipožární ochrana. 2. Charakteristiky motorových paliv. 3. Pracovní oběhy zážehových motorů. 4. Pracovní oběhy vznětových motorů. 5. Účinnosti spalovacích motorů. 6. Charakteristiky vznětových motorů. 7. Objemová účinnost vznětových motorů. 8. Charakteristiky zážehových motorů. 9. Ztrátový moment zážehových motorů. 10. Chlazení spalovacích motorů 11. Mazání spalovacích motorů 12. Zápočet

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Teoretické předpoklady Pro správnou funkci jednotlivých dílů a konstrukčních skupin spalovacího motoru musí být zajištěna odpovídající provozní teplota. Požadovanou teplotu zajišťuje chladící systém, který odvádí přebytečné teplo především z pracovního prostoru do okolního prostředí. Vedení tepla je zajišťováno buď přímo prostřednictvím materiálu vhodně uzpůsobených stěn válce, hlavy a klikové skříně motoru. Nebo nepřímo prostřednictvím teplonosného media (chladící kapaliny), která předává teplo do okolního prostředí pomocí výměníků tepla. V některých případech se používá kombinace obou systémů.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Oba dva způsoby chlazení musí být u vozidlových motorů vyšších výkonů regulovatelné, neboť příliš vysoká teplota motoru snižuje výrazně výkon a ekonomičnost práce motoru a vede k jeho havárii. Dlouhodobá práce motoru v podchlazeném stavu vede k výraznému nárůstu opotřebení pístní skupiny. Prakticky nezávisle na způsobu chlazení motoru je pro zajištění jeho normálního teplotního stavu potřeba do okolí rozptýlit cca 30% tepla získaného spalováním paliva. U zážehových motorů je množství tepla odváděného do okolí o něco vyšší než u motorů vznětových.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Přímé chlazení je zajišťováno odvodem tepla přímým kontaktem horkých stěn motoru s okolním prostředím. Pro zvýšení odvodu tepla je vnější povrch motoru zvětšován chladícími žebry. Jedná se většinou o vzduchem chlazené motory motocyklové, letecké a motory nákladních automobilů a traktorů. Přímé chlazení

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory vyšší spolehlivost nižší hmotnost motoru rychlejší ohřev stěn válců na provozní teplotu Přímé chlazení výhody větší zástavbové rozměry motoru dané větší roztečí válců vyplývající z potřeby vytvoření chladících žeber mezi válci vyšší úroveň vyzařovaného hluku vyšší pracovní teplota dílů motoru nevýhody

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Přímé chlazení Přímé chlazení může být: náporové (využívající pohybu vozidla) nucené (k potřebnému proudění vzduchu kolem teplosměnných ploch je použit ventilátor)

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Přímé chlazení náporové chlazení Používá se u motocyklových motorů. Nejjednodušší systém chlazení, nevyžaduje prakticky žádnou údržbu a výrobní náklady jsou nízké. nevýhody možnost přehřátí motoru při velkých zatíženích a malé pojezdové rychlosti (jízda do kopce) možnost podchlazení při malém zatížení a velké rychlosti (jízda z kopce) pokles výkonu dvoudobých rychloběžných motorů při dlouhodobém vysokém zatížení, kdy v důsledku vysoké teploty stěn klikové skříně motoru dochází k poklesu nasávaného množství čerstvé směsi.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Přímé chlazení náporové chlazení Maximální objemový výkon, dosažitelný u motocyklových motorů s náporovým chlazením je 74 kW/l. Z konstrukčního hlediska je prakticky využitelná maximální délka chladících žeber 50 mm a vzdálenost mezi žebry maximálně 8 mm. U motocyklových motorů větších objemových výkonů je používáno buď nepřímé chlazení, nebo kombinované chlazení, kdy válce motoru jsou chlazeny vzduchem a hlava válců kapalinou. Nejčastěji je pro chlazení hlavy využit motorový olej. Na příklad čtyřválcový motocyklový motor BMW, boxer, má chlazen prostor výfukového ventilu pomocí samostatného oběhového čerpadla. U motoru firmy Suzuki je nastřikován spalovací prostor v oblasti výfukového ventilu a svíčky což umožňuje dosáhnutí objemového výkonu až 100 kW/l.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Přímé chlazení nucené chlazení Využívá se proud vzduchu vytvořený ventilátorem. Je nezávislé na pojezdové rychlosti vozidla. Používají se ventilátory axiální nebo radiální. Radiální ventilátory jsou často integrovány do setrvačníku motoru. Pro větší průtočná množství vzduchu jsou vhodnější ventilátory axiální. další náležitosti K usměrnění proudu vzduchu obtékajícího žebrování válců a hlav motoru jsou využity kryty, usměrňovací lopatky a deflektory. Dále je nutné zajistit regulaci chlazení která může být závislá pouze na otáčkách motoru nebo i na zatížení motoru.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Přímé chlazení nucené chlazení Regulace chlazení (tepelného stavu motoru) je zajišťována změnou průtočného množství vzduchu: škrcením na vstupu vzduchu do ventilátoru škrcením na výstupu z ventilátoru škrcením na výstupu z motoru změnou otáček ventilátoru natáčením lopatek ventilátoru Z hlediska spotřeby energie je nejekonomičtější regulace natáčením lopatek nebo změnou otáček ventilátoru. Natáčení lopatek je konstrukčně značně složité a cenově náročné. Vhodnějším řešením je změna otáček rotoru ventilátoru pomocí různých typů spojek.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Přímé chlazení nucené chlazení Druhy používaných spojek: elektromagnetické hydraulické viskózní práškové Použití elektromotoru pro pohon ventilátoru je možné jen u malých výkonů spalovacího motoru, např. u osobních automobilů.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Mezi horké díly motoru a okolní prostředí je zařazeno teplonosné médium, které teplo do okolního prostředí předává pomocí tepleného výměníku (chladiče). Jako teplonosné médium se používá chladící kapalina, nejčastěji směs destilované vody s kapalinami zabezpečujícími, že nedojde při teplotách pod bodem mrazu k zamrznutí kapaliny. V některých případech byl pro přenos tepla použit motorový olej.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení výhody nižší střední teplota horkých dílů motoru (vedle k nižším materiálových nároků a zlepšuje i hmotnostní naplnění válce motoru čerstvou náplní) dosažení vyššího objemového výkonu motoru vykazuje nižší požadavek na oktanové číslo paliva u zážehových motorů vykazuje dlouhodobou stálost jmenovitého výkonu motoru (nedochází v důsledku výrazného nárůstu teploty stěn válců motoru k poklesu objemové účinnosti) v důsledku malé rozteče válců je motor podstatně kratší jednoduchost použití chladící kapaliny pro ohřev prostoru obsluhy vozidla nižší vyzařování hluku

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení nevýhody možnost úniku chladící kapaliny možnost zamrznutí motoru s následnou destrukcí hlavy nebo bloku motoru větší počet dílů a s tím spojené náklady a poruchovost

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Podle způsobu oběhu chladící kapaliny rozdělujeme nepřímé chlazení na chlazení: termosifonové (gravitační), viz obr. a s nucenou cirkulací chladící kapaliny oběhovým čerpadlem, viz obr. b kombinace obou předchozích systémů, viz obr. c odpařovací

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Termosifonové (gravitační) chlazení Chladící kapalina obíhá v důsledku rozdílu měrné hmotnosti studené a teplé chladící kapaliny. Chladící kapalina ochlazená ve výměníku tepla, vstupuje do spodní části válců motoru. Ze spodní části válců pak postupuje směrem k hlavě a vrací se do horní části chladiče. Pro intenzivní cirkulaci kapaliny je nutný značný tepelný spád na chladiči (30°C). V důsledku malé oběhové rychlosti musí být průtočné průřezy v bloku a hlavě motoru značně velké. Velký objem kapaliny značně prodlužuje ohřev motoru na provozní teplotu. Již ve čtyřicátých letech minulého století byla většina vozidlových motorů vybavena chlazením s nucenou cirkulací.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení S nucenou cirkulaci chladící kapaliny Nucenou cirkulaci chladící kapaliny zabezpečuje oběhové čerpadlo poháněné od klikové hřídele motoru. Toto řešení nevyžaduje umístění chladiče vysoko nad motorem ani značné objemy chladící kapaliny v chladícím okruhu motoru. Tepelný spád na výměníku tepla se pohybuje v rozmezí 6 až 12°C. Chladící okruh, je pomocí termostatu, rozdělen na malý a velký chladící okruh, což výrazně urychluje ohřátí motoru na provozní teplotu. Termostat spolu s regulovaným zapínáním ventilátoru zajišťuje optimální teplotu chladící kapaliny. Nedostatkem tohoto systému je, že studená chladící kapalina napřed vstupuje do poměrně chladné spodní části vodního pláště válců a teprve poté, již ohřátá, se dostává do nejteplejších míst válce a hlavy válců.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Kombinovaný systém chlazení Kapalinu ochlazenou v chladiči dodává čerpadlo do vrchní části chladícího pláště válců, nebo přímo do chladících prostorů hlavy válců. Válce buď úplně, nebo pouze jejich spodní část jsou ochlazovány gravitačním prouděním kapaliny.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Odpařovací systém chlazení Jedná se o nejstarší způsob chlazení spalovacích motorů. Kapalina vydává přejaté teplo z motoru odpařováním, jde tedy o ztrátové chlazení a je třeba chladící kapalinu doplňovat. Ohřátá chladící kapalina vystupující z motoru stéká po speciální mřížce do zásobníku chladící kapaliny, tímto dochází ke zvětšení volného povrchu chladící kapaliny, který podporuje její odpařování. Tento způsob chlazení byl nejvíce rozšířen u stabilních motorů 30 let minulého století.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Přetlakový a podtlakový ventil Slouží ke zvýšení teploty varu a potlačení tvorby bublin. Jedná se pak o uzavřený systém chlazení, kdy chladící prostor motoru je oddělen od okolního prostředí přetlakovým ventilem. Zvýšení tlaku o 0.01 MPa zvyšuje teplotu varu o 2.1°C. Při přetlaku 0.1 MPa tak vzroste teplota varu na 120°C. Současně s omezením vzniku parních bublin dochází i ke zvýšení chladícího výkonu soustavy protože teplotní spád na chladiči vzrůstá.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Přetlakový a podtlakový ventil Nejjednodušší způsob vytvoření uzavřeného systému chlazení představuje zátka chladiče vybavená přetlakovým a podtlakovým ventilem. (u starších vozidel přetlak 0.05 MPa a podtlak 0.01 MPa) U moderních automobilů bývají přetlakovým ventilem vybaveny vyrovnávací nádržky chladící soustavy (otvírací přetlak 0,14 MPa podtlak 0,002 až 0.01 MPa).

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nepřímé chlazení Přetlakový a podtlakový ventil a) Při přepouštění tlaku b) Při vzniku podtlaku Zátka chladiče s přetlakovým a podtlakovým ventilem

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chladící soustava moderního motoru

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chladící soustava moderního motoru Čerpadlo chladící kapaliny Čerpadla chladicí kapaliny zesilují chladicí účinek zvýšením cirkulujícího množství chladicí kapaliny a umožňují tak realizaci vyššího výkonu motorů. Při plnění prázdného chladicího systému je třeba věnovat pozornost odstranění veškerého vzduchu z chladicí soustavy (odvzdušnění). U různých typů čerpadel chladicí kapaliny jsou k tomuto účelu k dispozici různé možnosti odvzdušnění.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chladící soustava moderního motoru Ventilátor Ventilátor zajišťuje dostatečný průtok vzduchu chladičem při malých pojezdových rychlostech vozidla. U vozidlových motorů malých výkonů dostačuje pohon ventilátoru elektromotorem. U motorů větších výkonů, např. nákladních automobilů a traktorů, kde potřebný příkon se pohybuje v rozmezí 3 až 6% jmenovitého výkonu motoru, je ventilátor poháněn jedním nebo více klínovými řemeny od klikové hřídele motoru. U vysoce výkonných motorů osobních automobilů se v některých případech používá kombinace většího počtu ventilátorů. Pro zvýšení dopravní účinnosti ventilátoru a plné využití plochy chladící mříže chladiče se používá usměrňovací kryt chladiče.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chladící soustava moderního motoru Ventilátor Ventilátor musí být navržen tak aby zajišťoval chlazení za všech podmínek (vysoké zatížení motoru a malá pojezdová rychlost). Ukazuje se však, že u 95% provozních režimů není nutné použití ventilátoru a pro chlazení motoru vozidla stačí průtok vzduchu vyvolaný náporem. Z tohoto důvodu se u ventilátorů vyšších příkonů poháněných od klikové hřídele motoru používá viskózní spojka. (úspora energie) Kombinace dvou ventilátorů

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chladící soustava moderního motoru Chladič Chladič je tvořen vstupní a výstupní komorou a chladící mříží. Kapalina ohřátá v motoru je přiváděna do vstupní rozdělovací komory na levé straně chladiče, prochází chladící mříží, kde předává teplo proudícímu vzduchu a z pravé sběrné komory je odváděna zpět do sání čerpadla.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chladící soustava moderního motoru Termostat Termostat je automatický ventil, který zajišťuje rychlý ohřev motoru a omezuje velikost kolísání teploty chladící kapaliny motoru. Je umísťován na výstupu chladící kapaliny z motoru a řídí vstup do chladiče nebo malého okruhu motoru.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad výpočtu kapalinového chlazení Stanovte čelní plochu chladiče pro zadané parametry motoru a chladící soustavy. Zadané parametry vzduchu Zadané parametry paliva Zadané parametry chladicí kapaliny

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad výpočtu kapalinového chlazení Zadané parametry motoru Zadané parametry - ostatní součinitel odvedeného tepla chlazením q=0,33 výstupní teplota chladící kapaliny vstupní teplota chladící kapaliny teplota vzduchu před chladičem teplota vzduchu za chladičem

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad výpočtu kapalinového chlazení 1. Teplo odvedené chlazením 2. Potřebné množství kapaliny objemově hmotnostně

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad výpočtu kapalinového chlazení 3. Určení celkové plochy chladiče rozdíl středních teplot vody a vzduchu střední hodnota proudění vzduchu volena hodnota součinitele přestupu tepla odečtena z grafu celková plocha chladiče

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad výpočtu kapalinového chlazení 4. Určení čelní plochy chladiče Potřebné množství vzduchu Použijeme-li součinitel tepla redukovaný na čelní plochu chladiče, hodnota odečtena z grafu