Spalovací motory - teorie 1. část

Zobrazeno v: Vše o tuningu | Tuning - motor Datum: 05.03.2009 23616 x přečteno Základní informace o spalovacích motorech. Definice spalovacího motoru, Přeměna energií, Druhy spalovacích motorů, Tvorba a spalování směsi, Termodynamický popis pracovního cyklu spalovacího motoru

• Definice spalovacího motoru
• Přeměna energií
• Druhy spalovacích motorů
• Tvorba a spalování směsi
• Termodynamický popis pracovního cyklu spalovacího motoru

Definice spalovacího motoru

Spalovací motor je tepelný motor, rozvířený o zdroj tepelné energie, uvolňované spalováním.

Přeměna energií

Na obrázku jsou zobrazeny postupné přeměny chemické energie uložené v palivu na výslednou užitečnou mechanickou práci.

Jednotlivé boční větve odpovídají ztrátám způsobeným nedokonalou přeměnou energií. Jedná se ztráty způsobené:

• nedokonalým průběhem chemických reakcí
• nutným odvodem tepla ze stroje ( v nejlepším případě při teplotě okolí ) vyplývajícím z 2. věty termodynamické
• tepelné ztráty neúmyslným nebo úmyslným ( chlazení ) odvodem tepla ze stroje
• ztrátami ve formě nevyužité mechanické energie, odváděné s pracovní látkou ( např. kinetická energie neuspořádaných pohybů turbulence )
• mechanickými ztrátami ( např. třením ) při přeměně uvnitř stroje vyvinuté mechanické energie ( např. práce tlaku na píst ) na obecně nevyužitelnou mechanickou práci vně stroje ( např. na spojce hřídele motoru )

Hlavním úkolem konstrukce a řízení motoru je nalezení takového uspořádání a pravidel řízení aby účinnost převodu chemické energie na užitečnou mechanickou práci byla co největší.

Druhy spalovacích motorů

Spalovací motory je možné klasifikovat podle velkého množství kritérií. Dále se budeme zabývat jen velmi úzkou třídou motorů, proto je zde uveden jen jejich stručný přehled.
Podle odvodu tepla z pracovní látky do okolí jsou definovány motory s otevřeným a uzavřeným oběhem. U motorů s uzavřeným oběhem ( pracovním cyklem látky ) musí být tepelná energie přiváděna a odváděna pomocí výměníků ( např. Stirlingův motor ). Otevřený oběh umožňuje odvod tepla s výměnou pracovní látky a využití pracovního prostoru pro spalování paliva, pak se jedná o motory s vnitřním spalováním.

Podle způsobu přeměny tepla na mechanickou práci je možno definovat stroje

• [pístové] s přímým působením tlaku
• [lopatkové] u nichž vzniká moment na otáčivě upevněné lopatce ze změny hybnosti v důsledku změny velikosti a směru rychlosti proudu pracovní látky
• [proudové] u nichž v důsledku změny hybnosti proudu tekutiny při průchodu strojem vzniká síla působící na rám stroje, jehož pohybem se pak koná práce ( reaktivní motory )

Princip činnosti lopatkových a proudových motorů se často kombinuje.

Podle místní a časové posloupnosti jednotlivých dějů při realizaci oběhu se stroje dělí na stroje s

• [nestacionárními ději] u kterých dochází k periodickému opakování pracovních cyklů v prostoru, který je po určitou část doby uzavřen od okolí
• [stacionárními ději] využívají změn, probíhajících v čase při průchodu pracovní látky jednotlivými částmi stroje

Další rozbor omezíme pouze na pístové spalovací motory s otevřeným oběhem, vnitřním spalováním a nestacionárními ději.

Tvorba spalovací směsi

Tato kategorie motorů se dále dělí podle způsobu tvorby pracovní látky ( směsi paliva a vzduchu ), která slouží jak k dodání chemické energie do motoru, tak k termodynamické přeměně hořením získaného tepla na energii mechanickou. Dalšími kritérii je způsob spuštění chemické reakce hoření, průběh hoření směsi a mechanizmus výměny pracovní látky ve válci. Tvorba a průběh spalování směsi.

Děje při spalování jsou spojeny s přenosem látek ( např. difůzí ), sdílením tepla za vysokých gradientů teploty, přičemž přenosové jevy mohou být o několik řádů urychleny turbulencí, která překryje molekulární přenos řídící se kinetickou teorií plynů. Vlastní spalování pak představuje složité návazné chemické reakce. V pístovém motoru hoří často směsi složitých chemických látek za nestacionárních podmínek. Z předchozího vyplývá, že úplný model hoření je velice složitý a ovlivněný takovým množstvím parametrů, že nelze najít jeho přesný model.

Časovou posloupnost dějů vedoucích ke spálení paliva a vzniku tepla lze rozdělit do několika etap, které se však mohou překrývat nebo probíhat paralelně v různých částech spalovacího prostoru.

Před vlastním hořením paliva musí dojít k jeho fyzikální a chemické přípravě. Palivo je třeba nejdříve ohřát a vytvořit dostatečnou kontaktní plochu mezi jeho částicemi a okysličovadlem ( většinou vzduchem ). Toho se docílí rozprášením paliva do vzduchu nebo vytvořením palivového filmu na stěně válce. Poté dojde k odpaření paliva, smíšení par s kyslíkem a ohřátí směsi na teplotu nutnou k proběhnutí předplamenných reakcí.

Po chemické přípravě, kdy dojde k proběhnutí endotermických předplamenných reakcí, nastává vlastní etapa hoření, při které proběhnou exotermické chemické reakce spalování a při kterých se tvoří také nežádoucí oxidy dusíku.

V poslední etapě dochází k dohořívání směsi. Proběhnou pomalejší reakce a dojde k dosažení rovnovážného stavu při poklesu teploty během expanze. V této etapě dochází k tvorbě většiny nežádoucích škodlivin způsobených nedokonalým spalováním za nižších teplot.

Podle způsobu tvorby směsi a způsobu dodání tepla pro předplamenné reakce lze pístové motory dále dělit do několika kategorií.

1. Vznětové motory se vyznačují samovznícením paliva, které je v převážné většině případů vstřikováno pod vysokým tlakem přímo do válce. Zvýšení teploty ve válci je docíleno při kompresi. K chemické přípravě a hoření dochází na počátku vstřiku paliva v připravované lokálně homogenní směsi s koncentračními gradienty, poté dochází k hoření v tvořící se směsi paliva, vzduchu a spalin. Pro dobré hoření je nutné aby bylo palivo dodáváno jako jemný aerosol.
2. Zážehové motory
   • s vnějším tvořením směsi využívají přípravy homogenní směsi před vstupem do válce. Při kompresi ve válci dochází k odpaření paliva a ohřátí směsi. Zvýšení teploty a dodání energie pro počáteční endotermické chemické reakce se nejčastěji lokálně dociluje elektrickou jiskrou. Dále dochází k zapalování směsi od již hořícího plamene.
   • s vnitřním tvořením směsi nebo také s přímým vstřikováním se od předchozí kategorie odlišují přípravou směsi přímo ve válci, avšak zvýšení teploty při kompresi a druh paliva u těchto motorů neumožňuje samovznícení směsi. Směs je opět ve většině případů zapalována elektrickou jiskrou. K hoření dochází v připravované lokálně homogenní směsi a tvořící se směsi, v případě pokračování vstřikování i po zážehu.

Termodynamický popis pracovního oběhu

Pracovní oběh pístových motorů se skládá z několika dějů. Nejdříve musí dojít k naplnění válce připravenou směsí nebo jen vzduchem při vnitřní tvorbě směsi. Po uzavření sacího ventilu dochází ke kompresi náplně pístem a tím ke zvýšení tlaku a teploty. Při vnitřním tvoření směsi se přidává palivo. Dále dochází k zapálení směsi elektrickou jiskrou nebo samovznícením. Při spalování směsi roste dále tlak a teplota ve válci. Při expanzi tlačí směs obsažená ve válci na ustupující píst a tím dojde předání energie do mechanické soustavy a k ochlazení. Cyklus končí otevřením výfukového ventilu a vyprázdněním obsahu válce.

Pro termodynamický popis je nejdůležitější vysokotlaká část pracovního oběhu začínající po uzavření sacího ventilu a končící otevřením výfukového ventilu. Po tuto část oběhu se jedná o soustavu, ve které platí zákon zachování hmotnosti a množství atomů jednotlivých prvků. K výměně energie s okolím dochází pouze mechanickou prací konanou tlakem a pohybem pístu a tepelnou výměnou se stěnami uzavřeného prostoru. V tabulce 1 jsou definovány symboly a jednotky pro jednotlivé uvažované veličiny.

Veličina	Značka	Jednotky
Tlak	p	Pa
Parciální tlak složky x	px	Pa
Objem	V	m3 , často uváděný v cm3
Kompresní objem ( nad pístem v horní úvrati )	Vk	m3 , cm3
Zdvihový objem ( pohybu pístu )	VZ1	m3 , cm3
Hmotnost látky	m	kg , g
Molární hmotnost	M	kg·mol-1
Látkové množství	N	mol
Měrná plynová konstanta	r	J·kg-1·K-1
Izobarická měrná tepelná konstanta	cp	J·kg-1·K-1
Izochorická měrná tepelná konstanta	cv	J·kg-1·K-1
Poissonova ( adiabatická ) konstanta	k = cp/cv
Předávané teplo	Q	J
Mechanická práce	W	J
Vnitřní energie látky	U	J
Absolutní teplota	T	K
Entropie	S	J·K-1
Boltznmanova konstanta	k	8.314·J·K-1·mol-1
Avogadrova konstanta	NA	6.023·1023·mol-1
Tabulka 1, Veličiny použité pro termodynamický popis

V je zaveden pojem dokonalý plyn, který je dokonale stlačitelný, homogenní, izotropní a neviskózní. Z hlediska kinetické teorie by takovýto plyn musel mít zanedbatelné rozměry molekul vůči jejich vzájemným vzdálenostem, mezi molekulami by nebylo žádné silové působení a srážky by byly dokonale pružné. Dále se neuvažuje působení gravitačního pole na molekuly. Pro takový plyn platí bez výhrad stavová rovnice a jeho vnitřní energie závisí jen na jeho teplotě.

Podle prvního termodynamického zákona platí pro teplo, vnitřní energii a konanou práci zákon zachování energie
dQ = dU+dW

Mechanichou práci lze vyjádřit
dW = p·dV

pro dokonalý plyn dále platí stavová rovnice, kterou lze zapsat v následujících tvarech
p·V = N·k·T
p·V = r·m·T

Měrná plynová konstanta je pro daný plyn přímo svázaná s Boltzmanovou konstantou
r = k·M

S využitím výše uvedených rovnic lze provést numerický výpočet průběhu tlaku, teploty a odevzdané práce při znalosti změn objemu a průběhu hoření směsi. Objem je geometrickým vztahem svázaný s úhlem otočení klikového hřídele, proto je při zadaných otáčkách motoru známý. Průběh hoření směsi závisí na okamžiku a způsobu spuštění oxidačních reakcí a je závislý na okamžitém tlaku, teplotě a rozložení směsi ve válci. Pro reálné plyny je dále třeba uvažovat změny plynové konstanty a měrné tepelné konstanty s teplotou a tlakem. Zároveň se během hoření mění chemické složení ve válci a pro přesné výpočty by bylo nutné i tyto změny do výpočtu zahrnout. Tyto výpočty jsou velice složité a sestavení přesného modelu je nerealizovatelné.

Pro orientační účely lze předpokládat, že se vlastnosti směsi blíží vlastnostem vzduchu, který představuje většinu objemu i hmotnosti směsi. Dále lze zanedbat proměnné hodnoty plynových a tepelných konstant.Pro zhodnocení činnosti reálného motoru je jediným vyhovujícím řešením provést měření reálných průběhů.