Pravilno disanje i kretanje plinova unutar cilindra
Nakon suhoparne fizike konačno započinjemo s pravim stvarima... Ideja je ovog nastavka objasniti kako teorija izgleda unutar samog cilindra i koliko se ona razlikuje od prakse. Pogledajmo stoga što je potrebno napraviti da bismo ugurali smjesu goriva i zraka tamo gdje će ju motor najbolje "prožvakati" .
Bez obzira na to kakvu ste sliku o načelima rada motora s unutarnjim izgaranjem stekli nakon prvih nastavaka Škole, a da sve zajedno nebi bilo odveć jednostavno, ubrzo ćete spoznati kako stvari u praksi funkcioniraju malo drukčije. Osvrnemo li se na pretprošlo poglavlje u kojem su bili ilustrirani radni taktovi, jasno nam je da se smjesa goriva i zraka u cilindre uvodi kroz usisni ventil, a da produkti njezina izgaranja izlaze kroz ispušni. Ventili su smješteni u glavi motora, njegovom gornjem dijelu u kojem se ujedno nalaze i kanali za dovođenje smjese, kanali za odvođenje produkata izgaranja, navoji za svječice itd. Za otvaranje ventila brinu se bregasta vratila i još poneki djelić motora, jednako neobična izgleda, no o tim ćemo detaljima raspravljati kasnije.
Njegovo veličanstvo - ventil
Premda se ne radi o bilo čemu sličnome ventilima kakvima otvaramo vodu na sudoperu, ventili automobilskih motora u osnovi imaju jednaku ulogu. Oni su mehaničke naprave zadužene za omogućavanje, odnosno onemogućavanje protoka fluida. Iz ovog, posebno mudrog zaključka, krije se činjenica da ventili automobilskog motora moraju propuštati plinove, a druga je činjenica da to moraju biti u stanju raditi iznimno brzo. Uzmemo li u obzir da se kod četverotaktnog motora u jednom radnom ciklusu (tijekom 4 takta) svaki ventil otvori jednom, a koljenasto se vratilo okrene dva puta, lako je izračunati da će se svaki ventil pri brzini rada motora od npr. 6500 o/min otvoriti i zatvoriti 3250 puta u minuti. Uf...
Premda se ne radi o bilo čemu sličnome ventilima kakvima otvaramo vodu na sudoperu, ventili automobilskih motora u osnovi imaju jednaku ulogu. Oni su mehaničke naprave zadužene za omogućavanje, odnosno onemogućavanje protoka fluida. Iz ovog, posebno mudrog zaključka, krije se činjenica da ventili automobilskog motora moraju propuštati plinove, a druga je činjenica da to moraju biti u stanju raditi iznimno brzo. Uzmemo li u obzir da se kod četverotaktnog motora u jednom radnom ciklusu (tijekom 4 takta) svaki ventil otvori jednom, a koljenasto se vratilo okrene dva puta, lako je izračunati da će se svaki ventil pri brzini rada motora od npr. 6500 o/min otvoriti i zatvoriti 3250 puta u minuti. Uf...
Teorija kaže da se kod četverotaktnog motora smjesa goriva i zraka usisava u cilindar u trenutku kada započne usisni takt, odnosno kada se klip krene gibati od gornje mrtve točke (GMT) prema donjoj mrtvoj točki (DMT). Također, možemo pretpostaviti da je za savršeno pravilan rad motora moguće usisni ventil otvoriti trenutak nakon što je klip krenuo prema dolje kako bi stvoreni podtlak pomogao usisavanju smjese.
Jednako tako, ovaj bismo ventil mogli početi zatvarati kada je klip prošao nekih 80% puta prema dolje jer će nakon toga stvoreni podtlak (koji usisava smjesu) postati gotovo neupotrebljiv. No, cijela ova teorija pada u vodu s porastom broja okretaja motora.
Naime, pri većim brzinama rada manje vremena ostaje za usisavanje smjese te bi ovakav (teorijski) motor naglo ostao bez snage. Adekvatno teoriji o usisnom, možemo pričati i o ispušnom ventilu. Njega bi bilo idealno otvoriti kada se klip počinje gibati prema GMT (od donje mrtve točke), tj. s početkom ispušnog takta. No, opet se javlja problem brzine, jer pri većim brojevima okretaja motora ubrzo može ponestati vremena za "tjeranje" svih ispušnih plinova van cilindra.
Recimo i to da se smjesa goriva i zraka (kod atmosferskih motora) uvodi u cilindar isključivo podtlakom koji stvara klip u svom kretanju prema DMT. Ispušni se plinovi, pak, izbacuju pritiskom koji stvara klip krećući se prema GMT. Taj pritisak kudikamo je učinkovitiji u pokretanju plinova od spomenutog podtlaka (bilo bi blesavo reći da je pritisak jači od podtlaka, zar ne?) te su stoga usisni ventili u pravilu veći (većeg promjera) od ispušnih.
Jednako tako, ovaj bismo ventil mogli početi zatvarati kada je klip prošao nekih 80% puta prema dolje jer će nakon toga stvoreni podtlak (koji usisava smjesu) postati gotovo neupotrebljiv. No, cijela ova teorija pada u vodu s porastom broja okretaja motora.
Naime, pri većim brzinama rada manje vremena ostaje za usisavanje smjese te bi ovakav (teorijski) motor naglo ostao bez snage. Adekvatno teoriji o usisnom, možemo pričati i o ispušnom ventilu. Njega bi bilo idealno otvoriti kada se klip počinje gibati prema GMT (od donje mrtve točke), tj. s početkom ispušnog takta. No, opet se javlja problem brzine, jer pri većim brojevima okretaja motora ubrzo može ponestati vremena za "tjeranje" svih ispušnih plinova van cilindra.
Recimo i to da se smjesa goriva i zraka (kod atmosferskih motora) uvodi u cilindar isključivo podtlakom koji stvara klip u svom kretanju prema DMT. Ispušni se plinovi, pak, izbacuju pritiskom koji stvara klip krećući se prema GMT. Taj pritisak kudikamo je učinkovitiji u pokretanju plinova od spomenutog podtlaka (bilo bi blesavo reći da je pritisak jači od podtlaka, zar ne?) te su stoga usisni ventili u pravilu veći (većeg promjera) od ispušnih.
Preklapanje ventila
Odgovor koji je u praksi (donekle) riješio ove probleme zove se preklapanje ventila. Radi se o tome da usisni ventil otvaramo neposredno pred kraj ispušnog takta, dok ispušni ventil ostaje otvoren na samom početku usisnog takta. Time dobivamo preklapanje, odnosno vrijeme tijekom kojega su oba ventila djelomično otvorena. Iako ovo sada djeluje pomalo nelogično (ili čak pogrešno), ideja je u tome da ispušni plinovi stvaraju izvjestan podtlak krećući prema van (kroz otvoreni ispušni ventil), a taj podtlak pomaže pri usisavanju smjese prije nego li se klip počeo gibati s GMT prema DMT.
Uzevši sve do sada izrečeno vidimo da je između teorije i prakse rada motora s unutarnjim izgaranjem popriličan jaz, no to još nije sve. Posve je razumljivo da cijelo vrijeme govorimo o nekakvim "većim brzinama rada" ili povećanju broja okretaja motora. To znači da bi motor morao u precizno određenim vremenskim razdobljima imati ventile (djelomično) otvorene kada se brzo vrti (tada primjenjujemo preklapanje), ali i u sporom radu kada je rad ventila sličniji teoriji.
Odgovor koji je u praksi (donekle) riješio ove probleme zove se preklapanje ventila. Radi se o tome da usisni ventil otvaramo neposredno pred kraj ispušnog takta, dok ispušni ventil ostaje otvoren na samom početku usisnog takta. Time dobivamo preklapanje, odnosno vrijeme tijekom kojega su oba ventila djelomično otvorena. Iako ovo sada djeluje pomalo nelogično (ili čak pogrešno), ideja je u tome da ispušni plinovi stvaraju izvjestan podtlak krećući prema van (kroz otvoreni ispušni ventil), a taj podtlak pomaže pri usisavanju smjese prije nego li se klip počeo gibati s GMT prema DMT.
Uzevši sve do sada izrečeno vidimo da je između teorije i prakse rada motora s unutarnjim izgaranjem popriličan jaz, no to još nije sve. Posve je razumljivo da cijelo vrijeme govorimo o nekakvim "većim brzinama rada" ili povećanju broja okretaja motora. To znači da bi motor morao u precizno određenim vremenskim razdobljima imati ventile (djelomično) otvorene kada se brzo vrti (tada primjenjujemo preklapanje), ali i u sporom radu kada je rad ventila sličniji teoriji.
Dakako, u praksi nije moguće napraviti motor koji bi idealno upravljao ventilima u oba slučaja, odnosno kroz cijeli raspon brojeva okretaja. Stoga, izlaz iz tegoba treba tražiti u kompromisu. Većina praktičnih rješenja završava na tome da motori visoke najveće snage ne rade optimalno pri nižim brojevima okretaja i obratno. U nekoj krajnosti, u motor možemo ugraditi izrazito "sportsko" bregasto vratilo koje će omogućiti brzo otvaranje ventila, ali će takav stroj do neke više brzine vrtnje biti praktički neupotrebljiv, bez obzira što se iznad tih okretaja pretvara u pravu "zvijer".
Uz to pri nižim će brzinama vrtnje vjerojatno toliko nemirno raditi da ga nitko ne bi poželio u svojem automobilu. Jedno od, djelomično, spasonosnih rješenja jest primjena sustava za prilagodbu rada ventila, no o tome ćemo više reći kada se pozabavimo bregastim vratilima i razvodnim sustavom.
Uz to pri nižim će brzinama vrtnje vjerojatno toliko nemirno raditi da ga nitko ne bi poželio u svojem automobilu. Jedno od, djelomično, spasonosnih rješenja jest primjena sustava za prilagodbu rada ventila, no o tome ćemo više reći kada se pozabavimo bregastim vratilima i razvodnim sustavom.
A, kada već pričamo o ventilima...
Kao i u svakoj temi, u priči o ventilima moglo bi se spomenuti još podosta toga. Bilo da se radi o različitim rješenjima, tj. ventilima drukčije konstrukcije i/ili načina rada od ovdje spomenutih, ili da otvorimo temu ventila izrađenih od npr. titana, priči ne bi bilo kraja. Stoga ćemo, više zabave radi, reći još par riječi samo o jednoj (pomalo off) temi - ventilima ispunjenim natrijem.
Ventili ispunjeni natrijem osmišljeni su negdje u 1920-im godinama kao rješenje za poboljšanje odvođenja topline iz komore za izgaranje i sa stijenki motora (temperature unutar komore za izgaranje mogu doseći i više od 1500 °C, dok se ispušni kanali zagrijavaju iznad 750 °C). Ideja je prilično jednostavna i sastoji se u tome da takvi ventili imaju šuplje stablo koje je u nekih 60% zapremnine ispunjeno čistim natrijem, koji ima veliku temperaturnu vodljivost. Kada se natrij rastopi (pri 97,5 °C), gibanjem ventila on se počne kretati unutar šupljine te time preuzima toplinu s glave ventila i odvodi ju u gornji dio stabla.
Dodatnu prednost ovakvi ventili donose u nešto manjoj masi (zbog šupljeg stabla), a tehnologija se gotovo u pravilu koristi za izradu ispušnih ventila, u načelu kod motora viših performansi. Dakako, niti ovdje nije sve idealno. Ventili ispunjeni natrijem zbog šupljeg su stabla lomljivi pod velikim opterećenjima, a s unaprjeđenjem tehnologije materijala njihova učinkovitost postaje upitna. Također, predajom topline vodilicama ventila ubrzava se njihovo trošenje. Ventili ispunjeni natrijem masovniju su upotrebu prvi puta imali u motorima zrakoplova tijekom II sv. rata.
I, ne zaboravite. Natrij je zapaljiv i u kontaktu s vodom reagira, hm, prilično neugodno. Stoga ventile ispunjene natrijem ne bi trebalo rezati, piliti, bušiti i tko zna što još kako bi se ustanovilo što to lijepoga unutra ima!
---
Na ovom videu s prikazom renaultovog benzinskog motora Energy TCe 90 dobro su vidljivi rad ventila i kretanje plinova:
Dodatnu prednost ovakvi ventili donose u nešto manjoj masi (zbog šupljeg stabla), a tehnologija se gotovo u pravilu koristi za izradu ispušnih ventila, u načelu kod motora viših performansi. Dakako, niti ovdje nije sve idealno. Ventili ispunjeni natrijem zbog šupljeg su stabla lomljivi pod velikim opterećenjima, a s unaprjeđenjem tehnologije materijala njihova učinkovitost postaje upitna. Također, predajom topline vodilicama ventila ubrzava se njihovo trošenje. Ventili ispunjeni natrijem masovniju su upotrebu prvi puta imali u motorima zrakoplova tijekom II sv. rata.
I, ne zaboravite. Natrij je zapaljiv i u kontaktu s vodom reagira, hm, prilično neugodno. Stoga ventile ispunjene natrijem ne bi trebalo rezati, piliti, bušiti i tko zna što još kako bi se ustanovilo što to lijepoga unutra ima!
---
Na ovom videu s prikazom renaultovog benzinskog motora Energy TCe 90 dobro su vidljivi rad ventila i kretanje plinova:
Izvor: autonet
No comments:
Post a Comment