Tepelná bilance spalovacího motoru Spalovací motor transformuje

Tepelná bilance spalovacího motoru

Spalovací motor transformuje chemickou energii paliva Qp na mechanickou práci Ae (viz 1.

přednáška, obr. 1). Tato přeměna je ztrátová. Při vývoji motoru je snaha maximalizovat celkovou účinnost přeměny energie, což lze realizovat jen při znalosti toku energií motorem a jednotlivých druzích ztrát.

Spalováním se mění Qp na teplo. Část paliva se nespálí, teplo ekvivalentní této energii Qns

odchází se spalinami do výfuku. Teplo Qp-Qns vstupuje do tepelného procesu, kde vykoná užitečnou práci na pístu Ai, z části je odvedeno ve formě zbytkového tepla výfukovými plyny Qv, z části jej odvádí přestupem stěnami pístu, válce a hlavy chladící kapalina v Qchl1, a další část uniká radiací, konvekcí a kondukcí z bloku motoru a dalších částí v Qchl3 a chladičem oleje v Qchl2. Část užitečné práce Ai se zmaří třením na pístní skupině (Qtr), v ložiskách a rozvodovém ústrojí a odchází z motoru opět ve formě tepla zahrnutém v Qchl1, Qchl2 a Qchl3. Část práce Ai je využita na pohon pomocných zařízení (Qmech: čerpadla, kompresory, alternátor a pod.). Celkově je situace komplikovanější, jednotlivé energie se přelévají do různých forem, avšak pro základní pochopení toto rozdělení postačí. Rovnice energetické rovnováhy je:

Q_p =Q_ns +Q_e +Q_chl +Q_ost +Q_v,

u

l

kde Qchl je celkové teplo odvedené chlazením a Qost jsou všechny tepla neobsažené v předchozích.

Tepla Q a práce A jsou vztaženy na časovou jednotku (rozměr [J.s^-1], jsou číselně rovny svým výkonům). Pokud se zjišťují jednotlivé tepla experimentálně na reálném motoru, lze vyjít z následujících vzorců. Energie dodávaná v palivu je určena časovou spotřebou paliva Mp a jeho výhřevností Hu:

Q_p = M_p⋅H .

Teplo ekvivalentní efektivní práci za sekundu je rovno efektivnímu výkonu motoru:

e

e P

Q ≡ .

Teplo odvedené chladící kapalinou přes stěny válce, hlavami motoru a dnem pístu a teplo odvedené chladičem oleje (pokud je použit):

Qp

Qw

Qvn

Qchl

Qost

Qtr

Qmech

Qz

Qi

Qe

Qp

Qv

Qns

Qost

( )

Q_chl1 = M_w⋅c_w⋅ t_{w out_} −t_{w in_}

( )

Q_chl2 = M c_o⋅ ⋅_o t_{o out_} −t_{o in_} ,

. Obr. 1: Schéma vnitřní energetické bilance motoru.

Teplo odvedené radiací, konvekcí a kondukcí z bloku motoru Qchl3. lze vůči ostatním teplům zanedbat nebo určit z teplot na povrchu bloku motoru a okolního vzduchu, rychlosti proudění atd.

(viz skripta termodynamika). Teplo vynesené z pracovního prostoru výfukovými plyny se určí přibližně z hmotnostního průtoku výfukových plynů (ev. čerstvé náplně ml ), jejich měrných tepel cp_v, cp_vzd a teplot:

) .( _{p_v v p_vzd a}

l

v m c t c t

Q = & − ; kde m&_l =ρ_l. &V .

Množství nespáleného paliva je dáno především koeficientem přebytku vzduchu λ, rozložením směsi při spalování a fyzikálními podmínkami spalování (pro exaktní posouzení je nutno znát

relativní množství jednotlivých složek ve výfukových plynech). Pokud uvažujeme, že nespálené palivo je dáno pouze nedostatkem vzduchu, pak množství tepla v něm obsažené je:

( )

Q_ns = ∆H_{u ch}⋅ M_p; kde:

( ) ( )

( )

2

a pokud známe koeficient přebytku vzduchu λ (zjistíme pomocí volumetru (měří spotřebu vzduchu) nebo analyzátoru výfukových plynů s λ sondou), můžeme psát:

( )

Q_ns = H_u 1−λ M_p

Všechny ostatní tepelné ztráty (kinetická energie výfukových plynů Qw) jsou zahrnuty do Qost: Q_ost =Q_p −Q_ns −Q_e −Q_chl −Q_v

Dílčí tepla Zážehový motor Vznětový motor

Teplo ekvivalentní vykonané práci 32% 45%

Při hoření 6% 9%

Při expanzi 7% 7%

Teplo odvedené

chlazením Při výfuku 15%

28%

9%

25%

Teplo odvedené výfukovými plyny a zářením 40% 30%

Celkem 100% 100%

Tab. 1 Tepelná bilance zážehového a vznětového motoru.

Zvyšování výkonu spalovacích motorů

Nárůst výkonu motoru bývá požadavkem při inovaci i vývoji nového motoru, je snaha o co nejvyšší výkon při dodržení minimální hmotnosti i rozměrů. Možnosti zvyšování výkonu plynou ze vztahu pro efektivní výkon Pe a objemový výkon Pv:

n i V p

P_e = ⋅ _e⋅ _h ⋅ ⋅ τ

2 , p n

V i

P P _e

h

V e = ⋅ ⋅

= ⋅

τ

2 .

Lze použít tyto způsoby:

a) zvětšení zdvihového objemu (zvyšováním objemu válce Vh nebo zvyšováním počtu válců i - je spojeno s nárůstem zastavěného objemu a hmotnosti motoru, neklesá PV);

b) zvyšování středního efektivního tlaku pe např. přeplňováním;

c) zvyšování otáček motoru n (využívá se při ladění motorů závodních automobilů a motocyklů, u kterých není požadována vysoká životnost, roste mpe, teplotní namáhání);

d) změna taktnosti motoru τ (2dobý motor či dvoučinné provedení místo 4dobého motoru, neužívá se kvůli ekologii v 1. případě a potížím s chlazením ve 2. případě).

Časté je zejména zvyšování výkonu motoru přeplňováním, tj. zvýšením hmotnostního množství vzduchu dopravovaného do válce motoru plnícím dmychadlem, přičemž je současně zvýšena cyklová dávka paliva. Při použití turbodmychadla roste navíc tepelná účinnost motoru, klesá měrná efektivní spotřeba paliva, roste pružnost a akceleraceschopnost motoru. Používá se rezonanční přeplňování (plnění) a regulované jedno nebo dvoustupňové turbopřeplňování nebo přeplňování s mechanicky poháněným dmychadlem.

Přeplňování mechanicky poháněnými dmychadly

Příkon pro pohon dmychadla je odebírán z klikové hřídele motoru pomocí ozubených kol, ozubených řemenů a u malých dmychadel i klínovými řemeny. Mechanicky poháněná dmychadla jsou dmychadla odstředivá a rotační objemová čerpadla. Odstředivá dmychadla se v současnosti používají pouze ve spojení s turbínou v turbodmychadle. U zážehových benzínových motorů jsou dnes používána pouze dmychadla Rootsova, šroubová a spirální dmychadlo „G“.

Dmychadlo „G“ bylo vyvinuto u firmy Volkswagen a vykazuje značné výhody oproti ostatním typům mechanicky poháněných dmychadel. Vyznačuje se nízkou úrovní vnějšího hluku a malými pulsacemi ve výstupním potrubí. I když otáčky hnacího hřídele dosahují až 10 000 min^-1 je vzájemná rychlost lopatek statoru ve stykové ploše s lopatkami „rotoru“ pouze 5 m.s^-1, což zajišťuje dlouhou životnost dmychadla. Dmychadlo je poháněno ozubeným řemenem. Dopravní účinnost dosahuje 65%, maximální stlačení je 1.8. Příkon pro pohon dmychadla činí cca 9% výkonu motoru.

Dmychadlo je využito pouze pro dosažení vysokého výkonu motoru, při částečných zatíženích motoru je výstup dmychadla propojen se vstupem, čímž výrazně poklesne odběr výkonu od klikového hřídele motoru, a vzduch vstupuje do motoru obtokovým ventilem.

Přeplňování turbodmychadly

V současné době je rozšířeno u naftových motorů s přímým vstřikem paliva i benzínových motorů používaných pro pohon osobních a nákladních automobilů, autobusů, traktorů, stavebních a zemědělských strojů. Výhody v porovnání s mechanicky poháněnými dmychadly jsou:

• nižší měrná efektivní spotřeba paliva a tedy i větší ekonomičnost provozu;

• jednoduší konstrukce a menší zástavbové rozměry.

U turbodmychadla je energie potřebná pro pohon plnícího dmychadla K získávána od plynové turbíny T poháněné výfukovými plyny motoru. U motorů, které často pracují při částečných zatíženích a pro něž je nutné, aby optimální režim práce turbodmychadla byl v této oblasti, je turbína přemostěna obtokovým potrubím, které je uzavíráno ventilem V. Při plném zatížení motoru by množství spalin produkovaných motorem bylo příliš veliké a v průtočných průřezech turbíny navržené pro částečné zatížení by

docházelo ke škrcení. Při nárůstu výkonu motoru vzrůstá množství a energie výfukových plynů.

Zvyšují se otáčky turbodmychadla a roste tlak za dmychadlem. Při dosažení určité úrovně tlaku v sání (měřený snímačem tlaku p) je obtokový ventil otevřen a snižuje se průtok spalin k turbíně.

Regulace je možná také změnou geometrie turbíny natáčením lopatek statoru. Ke zvýšení plnění se často používá mezichladič stlačeného vzduchu M.

SV VV

Obr. 2: Přeplňování spalovacího motoru turbodmychadlem.

M

p V

K T

Mazání a maziva

Maziva: látky používané k mazání pro snížení součinitele tření a opotřebení kontaktních ploch.

Další funkcí je odvod tepla z ložisek i jiných dílů, dotěsňování spalovacího prostoru a konzervace vnitřních ploch motoru v pracovních přestávkách. Kapalná maziva jsou minerální (ropné) oleje nebo oleje syntetické (lepší vlastnosti u dříve uvedených nedosažitelné). Minerální oleje jsou buď čistě minerální (Regular) – získané z ropy destilací, odparafinováním a rafinací nebo zušlechtěné (přídavkem rostlinných nebo živočišných tuků nebo chemických aditiv – Premium, Heavy Duty).

Výroba minerálních olejů

Po oddestilování paliv z ropy zůstává na dně atmosférické kolony kapalný zbytek, ten se

rozdělí se zpravidla na plynový olej odcházející hlavou kolony a lehký, střední a těžký olej, který odchází z bočních tahů. Na dně kolony zůstává zbytek používaný jako surovina pro výrobu asfaltu a válcových olejů. Destiláty z bočních tahů je nutno rafinací zbavit kyslíkatých, dusíkatých a sirných látek. Používá se buď chemická rafinace pomocí kyseliny sírové nebo dnes častější selekční rafinace. Ta spočívá tom, že se olej uvede do styku se selektivním rozpouštědlem. To rozpouští látky neuhlovodíkové, těžké aromáty, případně střední aromáty, s ostatními typy uhlovodíků se nemísí. Roztok nežádoucích látek se pak mechanicky oddělí. Výsledný produkt získaný z parafinické ropy obsahuje velké alkanické molekuly, které způsobují vysoký bod tuhnutí oleje, následuje tedy odparafinování.

Vlastnosti olejů

U motorových olejů je podstatnou vlastností viskozita a její teplotní závislost, oxidační stálost a bod tuhnutí. Viskozita: míra vnitřního tření kapaliny, ovlivňuje únosnost hydrodynamické vrstvy, velikost třecí práce, rychlost průtoku oleje mazacími kanálky a únik oleje kraji ložiska. Přílišný pokles viskozity snižuje útlum hluku a zhoršuje utěsnění. Také má vliv na dobu, za níž olej po delším stání motoru proteče soustavou do všech mazacích míst. Jednotkou kinematické viskozity je m².s^-1, (dříve také centistokes, 1 cSt = 1 mm².s^-1). Jednotkou dynamické viskozity je Pa.s.

Požadavky na jednotlivé parametry jsou protichůdné, hodnotu viskozity je nutné volit jako kompromis. Teplota motoru je velmi proměnlivá. Olej musí být schopen čerpání i při min. spouštěcí teplotě (běžně –30°C), současně musí mít dostatečnou viskozitu i při největší zátěži motoru, kdy je nejvyšší teplota v ložiskách a největší zatížení mazací vrstvy. Max. teplota v hlavních ložiskách vozidlových motorů bývá až 150°C, změna teploty s provozním režimem motoru. U současných motorů se proto používají spíše syntetické oleje. Závislost viskozity oleje na teplotě charakterizuje viskozitní index. Je to čistě empirický porovnávací koeficient. Vyšší hodnota znamená menší závislost na teplotě.

Teplotně oxidační stálost oleje: schopnost oleje odolávat působení kyslíku i za zvýšených teplot. V praxi se projevuje jako životnost oleje - doba po níž je olej ponechán v motoru mezi výměnami. Bod tuhnutí: teplota, při níž olej za podmínek zkoušky ztrácí tekutost a konzistence se stává vazelínovitou. Je to dáno růstem viskozity a vznikem krystalické mřížky u parafinů.

Do současných minerálních olejů se pro zlepšení vlastností přidávají další látky – aditiva. Jsou to především snižovače bodu tuhnutí (depresanty), které narušují tvorbu krystalické mřížky parafinů v oleji a zvyšovače viskozitního indexu; ty zvyšují více viskozitu při 100°C než při 50°C a tím roste i viskozitní index. Dále se používají antioxidanty, které přerušují řetěz oxidačních reakcí.

Antikorodanty chrání povrch ložisek před agresivní mi látkami zestárlého oleje. Detergenty rozptylují látky nerozpustné v oleji a tím brání jejich sedimentaci. Jde zejména o polymerní látky vzniklé oxidací a teplotní destrukcí oleje a látky vnikající do oleje ze spalovacího prostoru jako produkty nedokonalého hoření. Pro omezení vzniku tzv. studených kalů při provozu motoru na nízký výkon a častých startech se používají

disperzanty. Poslední složkou jsou protipěnící přísady, které předchází problémům s čerpáním zpěněného oleje. Zvyšují povrchové napětí oleje.

Log (log (ν))

SAE 10W/30

SAE 40 SAE 30 SAE 20 SAE 20W SAE 10W 0 Log (t) [°C] 100

Samostatnou kapitolou je zkoušení maziv.

Provádí se při dlouhodobých zkouškách motorů na motorovém dynamometru a vozidle nebo standardními testy na modelových motorech se zvláštními pracovními podmínkami.

Klasifikace maziv

Pro usnadnění styku mezi dodavateli olejů a spotřebiteli je nutné zavést jednoznačné označení oleje. Podstatnou vlastností olejů je viskozita a její teplotní závislost, soustavu pro

třídění olejů podle těchto kritérií vypracovala Obr. 3: Diagram Ubbelohdeho a Waltera.

SAE (Society of Automotive Engineers v USA). Třídí motorové oleje podle viskozity při teplotě 210°F (98,9°C) a olejům, u nichž závisí na startovacích schopnostech předepisuje také maximální viskozitu při 0°F (-17,8°C).

Závislost viskozity oleje na teplotě je vidět na obr. 3. Jde o přibližně lineární funkci mezi dvojitým logaritmem viskozity oleje a logaritmem teploty. Současné oleje vyhovují požadavku více tříd tj. požadavku na max. viskozitu při nízké teplotě třídy W (Winter) a současně požadavku na minimální viskozitu vyšší třídy při teplotě 210°F, nazývají se tak jako vícestupňové (multigrade) a označují se např. 5W/40. Dříve používané letní a zimní oleje nahrazuje jeden typ oleje celoroční.

Dynamická viskozita* Kinematická viskozita při 100°C Viskozitní

Třída SAE [Pa.s^-1] Při teplotě max.

[°C]

Mezní teplota

čerpatelnosti [°C] Min. [mm².s^-1] Max. [mm².s^-1]

0W 3.25 -30 -35 3.8 -

5W 3.50 -25 -30 3.8 -

10W 3.50 -20 -25 4.1 -

15W 3.50 -15 -20 5.6 -

20W 3.50 -10 -15 5.6 -

25W 6.00 -5 -10 9.3 -

20 - - - 5.6 9.3

30 - - - 9.3 12.5

40 - - - 12.5 16.3

50 - - - 16.3 21.9

60 - - - 21.9 26.1

Tab. 2: Viskozitní klasifikace motorových olejů podle SAE J 300.*Viskozita je stanovena v „Cold cranking“ simulátoru – protáčením motoru za studena.

Oleje se dále třídí podle užitných vlastností, můžeme tak rozhodnout pro jak náročný motor je olej vhodný. Používá se soustava třídění podle API (American Petroleum Institut). Ta rozděluje oleje podle použitého paliva u motorů (benzínové, naftové) a podle náročnosti motoru s ohledem na tvorbu úsad, korozi ložisek a opotřebení.

Vlivy na olej v provozu

Olej je při provozu motoru vystaven mnoha vlivům, které vedou jednak jeho destrukci – teplotní a oxidační destrukce a také k znečištění. Zdrojem znečistění je nasávaný vzduch, palivo a zbytky spalin, otěr kovových součástí motoru a chladící kapaliny. Výměna oleje má za cíl odstranit z motoru mechanické nečistoty a vyloučit z provozu olej s vyčerpanými aditivy, zředěný palivem, příliš viskozní a obsahující karbon či korozivní látky. Doba výměny je tedy vázána na provoz motoru a je individuální záležitostí. V praxi se řeší tak, že se olej mění po najetí určité vzdálenosti nebo po určité době provozu, podle toho co nastane dříve. Tyto údaje určí výrobce motoru po dohodě s dodavatelem oleje na základě životnostních zkoušek motoru. Doba provozu bývá u automobilových motorů 200 ÷ 300 hod, což odpovídá 10000 ÷ 15000 km s cílem dosáhnout více než 50000 km do výměny.

Mazací okruhy motorů Třecí dvojice

Třecí dvojice jsou kromě obvyklých rotačních (hlavní ložiska klikové hřídele) také rotační s nerovnoměrným až kývavým pohybem (ojniční ložiska), posuvné (píst, pístní kroužky) a obecné (vačka – ploché zdvihátko). Všechny jsou namáhány nestacionárně, což zvyšuje jejich únosnost, ale současně komplikuje návrh a dimenzování. Převážně se používají kluzná ložiska s tenkostěnnými ocelovými pánvemi s tenkou vrstvou ložiskového kovu (CU-Pb, AL-Sn apod.) a tenkou vrstvou měkkého kovu (Pb-Sn) pro pohlcování nečistot.

Mazací systémy

4 5

Mazání je většinou řešeno jako oběhové (cirkulační), tlakové se zubovým čerpadlem 1 a regulací tlaku přepouštěcím ventilem 2. Čerpadlo nasává olej z klikové skříně (mazání s mokrou skříní – obr.: 5) nebo z olejové nádržky (suchá skříň obr.: 4) a dodává ho o tlaku asi 0.3÷0.6 MPa přes čistič 3 a často i chladič 4 k mazaným místům 9. Tlak v systému je kontrolován snímači 7 a 8.

U systému se suchou skříní je olej čerpadly 6 odváděn zpět do olejové nádržky 5, u systému s mokrou skříní se čerpá přímo z karteru. Průtoky oleje činí podle rychloběžnosti motoru a stupně přeplňování 10÷50 dm³.kW^-1.h^-1. Měrná spotřeba oleje se pohybuje u menších motorů kolem 0.1÷0.5 g.kW^-1.h^-1, u větších do 1 g.kW^-1.h^-1. Kluzné plochy válců jsou mazány jen odstřikujícím olejem. Olej se k ložiskům přivádí v nejméně zatížených místech. Teplota oleje v provozu by měla

být vyšší než 60°C, aby se z něj během provozu odpařovala voda, ale zase ne příliš vysoká kvůli stárnutí.

7

6

3 1 8

2

Obr. 4: Schéma olejového oběhu se suchou skříní.

U menších dvoudobých motorů s plnícím

dmychadlem vytvořeným v klikové skříni se válce i ložiska mažou zpravidla přídavkem 2 ÷ 3

% oleje do paliva (ztrátové mazání).

Požadavky na tepelnou odolnost oleje předurčují použití stejné úrovně oleje jako u čtyřdobých motorů.

Používají se selektivní rafináty

AE 40 až 50 s viskozitním indexem kolem hodnoty 100.

V současnosti je snaha o snížení

směšovacího

poměru pod hodnoty 1:50 z důvodu snížení nespálených složek

aké se používá dělené mazání přimazáváním ložisek olejovým čerpadlem a rozstřikováním regulovaného množství zředěného oleje v závislosti na výkonu

třídy S

ve výfuku. T do nasávané směsi.

Obr. 5: Schéma olejového oběhu s mokrou skříní.

7 9

4

1 2

3

Chlazení motorů

Část tepelné energie vzniklé spalováním se přemění na mechanickou práci, zbylé teplo je nutné z motoru odvést. Část odchází se spalinami, cca 30% je nutné odvést chladícím systémem. Jde především o teplo ze stěn spalovacího prostotu

(dno pístu, vložka válce, hlava válců), ložiska a díly rozvodového mechanismu. Používá se:

• Přímé chlazení: vzduchem, který přímým kontaktem s horkými díly motoru přebírá teplo a tyto díly ochlazuje. Používá se u motocyklů a částečně osobních automobilů. Výhodou je vysoký teplotní spád mezi teplotami povrchu a vzduchem, a tím nízká spotřeba vzduchu a nižší příkon ventilátorů, studený motor se rychle ohřívá, má menší hmotnost a méně těsnících ploch než motor chlazený kapalinou. Používá se náporové chlazení (nejjednodušší, ale možnost přehřátí motoru) nebo nucené chlazení s přívodem vzduchu ventilátorem a regulací přívodu vzduchu podle teploty dílů.

Obr. 6:Schéma chladícího okruhu zážehového motoru.

7

8

6 5 4

3 2 1

• Chlazení pomocí přenosového média:

mezi motor a okolní prostředí je vřazeno teplosměnné médium (směs vody s příměsemi proti zamrzání, zvýšení bodu varu a proti korozi), které teplo přejímá v chladících dutinách vytvořených v motorovém bloku, hlavě válců a přivádí jej do chladiče, který jej předává do okolního vzduchu. Výhodami jsou nízká hlučnost motoru, stálost výkonu při dlouhotrvajícím zatížení, možnost vyšší zátěže, nižší emise NOx, menší rozměry motoru, možnost využití tepla. Podle cirkulace chladícího média rozlišujeme gravitační (využívá se změny hustoty média při ohřevu), nucený (s čerpadlem) a odpařovací způsob chlazení (využití skupenského tepla odpařující se kapaliny).

Popis okruhu s nuceným chlazením pomocí přenosového média: Chladící kapalina je přiváděna ze spodní části chladiče 1 (přes výměník tepla mezi olejem a chladící kapalinou) do (radiálního) kapalinového čerpadla 3 naháněného klínovým řemenem od klikové hřídele. Chladící kapalina je rozváděna z výstupu čerpadla rozváděcím potrubím, které zajišťuje stejný přívod chladiva k hlavě válců 8. Z hlavy válců protéká kapalina dutinami v bloku válců a je odváděna přes dvoucestný termostatický ventil 4 zpět. Pokud je dosaženo provozní teploty (např. 95°C), odchází kapalina do chladiče, při nižší teplotě termostat přepouští kapalinu přímo na vstup čerpadla. Teplo je možno využít např. k vyhřívání sacího potrubí 5 nebo kabiny vozidla 6. Doplňování kapaliny je prováděno přes expanzní nádobku 7, která také umožňuje dilataci kapaliny. Nucené proudění vzduchu zajišťuje ventilátor 2.