Základy teorie vozidel a vozidlových motorů Předmět Základy teorie vozidel a vozidlových motorů (ZVM) obsahuje dvě hlavní kapitoly: vozidlové motory a vozidla. Kapitoly o vozidlových motorech ukazují především pístové spalovací motory. Kapitoly o vozidlech se zaměřují zejména na skladbu hlavních částí a souhrn požadavků, které vozidla musí v provozu zabezpečit. Předmět ZVM vyžaduje základní znalosti z předmětů technické mechaniky a termomechaniky. Studijní materiály k předmětu ZVM jsou souhrnně zpracovány jako skripta Beroun, S., Scholz, C.: Základy teorie vozidel a pístových spalovacích motorů, Beroun, S., Scholz, C.: Základy automobilové techniky. Samostatné kapitoly jsou potom umístěna (http://www.kvm.tul.cz) pod Studenti/Skripta a texty…/
na
www
stránkách
katedry
doc. Ing. Celestýn SCHOLZ, Ph.D..
ZVM - 2009
Scholz
1
ÚVOD Nejvýznamnějším zdrojem mechanické energie pro pohon automobilů (současně se ale stal i významným zdrojem znečišťování ovzduší) je pístový spalovací motor (PSM). PSM mají za sebou více jak 140letou historii technického vývoje a výroby a nepochybně ještě několik desetiletí bude jejich vývoj a zdokonalování pokračovat. Počátky pístových tepelných motorů spadají do přelomu 17. a 18. století (parní stroje). Skutečný provozuschopný pístový spalovací motor (svítiplyn - zapálení směsi ve válci plamenem v polovině sacího zdvihu) postavil v r. 1860 Lenoir, celková účinnost tohoto motoru však byla pod 5%. Lenoirovy motory se stavěly řadu let, představují významný technický pokrok ve vývoji tepelných motorů a přispěly k urychlení rozvoje průmyslu. Na světové výstavě v Paříži v r. 1878 představil Otto ležatý čtyřdobý plynový motor s klikovým (křižákovým) mechanizmem (výkon 3 kW při n = 170 1/min); řešení tohoto motoru nastartovalo velmi intenzivní a rychlý rozvoj plynových pístových spalovacích motorů. Další rozvoj pístových spalovacích motorů je spojen s úsilím po využití kapalných paliv: v r. 1884 předvedl Daimler rychloběžný (n = 800 1/min) čtyřdobý benzinový motor. V období 1893 až 1897 vypracoval Diesel řešení čtyřdobého spalovacího motoru na těžko odpařitelná paliva, jehož pracovní cyklus zajistil výrazné zvýšení celkové účinnosti motoru (přes 26%). ZVM - 2009
Scholz
2
PSM JAKO TEPELNÝ STROJ, ZÁKLADNÍ ZNAKY PRACOVNÍHO ZPŮSOBU PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ • PSM jsou stroje, pracující v otevřeném cyklu a tepelná energie, určená k přeměně na energii mechanickou, se získává chemickou cestou, spalováním hořlavé směsi paliva se vzduchem uvnitř motoru. Vzduch Palivo: PTEP-PŘÍKON
c PSM: ve válci motoru shoří palivo a část uvolněné tepelné energie vykoná práci
Tepelná energie odvedená chlazením motoru: PTEP-CHLAZ.
Pe .
m p Hu
Mechanická práce Mechanický výkon: PEF-VÝKON
Tepelná energie odvedená výfukovými plyny: PTEP-VÝF.PL.
Tepelné veličiny a jejich základní vztahy a souvislosti
Zjednodušené rozdělení tepelné energie z paliva na hlavní položky v PSM: ZVM - 2009
Scholz
3
PSM JAKO TEPELNÝ STROJ, ZÁKLADNÍ ZNAKY PRACOVNÍHO ZPŮSOBU PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ • PSM jsou stroje, pracující v otevřeném cyklu a tepelná energie, určená k přeměně na energii mechanickou, se získává chemickou cestou, spalováním hořlavé směsi paliva se vzduchem uvnitř motoru.
c2 2 c 21 . Pe m v m vp m. v i1 m. p Hu CH m.vp i2 Qo 2 2 .
• Zjednodušeně lze psát:
m p H u CH Pe m vp i2 Qo .
.
• Celková účinnost PSM:
c
ZVM - 2009
Pe m. p H u Scholz
4
PSM pracují objemovým způsobem, s přetržitým průtokem pracovních látek, tj. vzduchu a paliva Parametry pracovního oběhu: • zdvihový objem • kompresní poměr • indikovaná práce • střední indikovaný tlak oběhu • maximální (spalovací) tlak • střední efektivní tlak oběhu
pistř
Wi QPR t Vz Vz
Kvantitativním ukazatelem využitelného potenciálu mechanické energie z válce motoru je střední efektivní tlak pracovního oběhu – jeho velikost závisí především na typu PSM a kvalitě jeho technického řešení.
pestř m pistř
ZVM - 2009
Scholz
5
TEORIE PRACOVNÍCH OBĚHŮ PSM •Teoretické pracovní oběhy: •Stavy pracovní látky v charakteristických bodech pracovního oběhu: •Parametry Ottova teoretického pracovního oběhu: práce oběhu
Wt QPR QOD
střední teoretický tlak oběhu
teoretická účinnost oběhu
ZVM - 2009
Scholz
1 QPR 1 1
Wt pt Vz
1 Wt t 1 1 QPR
6
Teoretické oběhy se stálotlakým přívodem tepla (Dieselův) a se smíšeným přívodem tepla
t 1
1
1
F , , .
F , , 1
V1 V2 ZVM - 2009
p 23 p2 Scholz
V3 V23 7
Znázornění teoretických oběhů PSM v T – s diagramu Pracovní oběh se stálotlakým přívodem tepla (Ottův oběh) Carnotizace pracovního oběhu
TOD t 1 TPR
Porovnání teoretických pracovních oběhů se smíšeným a stáloobjemovým přívodem tepla a různými kompresními poměry v T-s diagramu: carnotizace a teoretická účinnost oběhů Teoretická účinnost oběhu se smíšeným přívodem tepla je při výrazně vyšším kompresním poměru proti oběhu se stálotlakým přívodem tepla vyšší – viz střední teploty přívodu a odvodu tepla. ZVM - 2009
Scholz
OBR.12: Schéma carnotizace
8
Znázornění skutečných oběhů PSM v p-Vdiagramu 4 – dobý cyklus
ZVM - 2009
Scholz
9
Znázornění skutečných oběhů PSM v p-Vdiagramu 2 – dobý cyklus
ZVM - 2009
Scholz
10
PORUCHY PRŮBĚHU SPALOVACÍHO PROCESU V ZÁŽEHOVÝCH MOTORECH
70
• Předčasný zážeh směsi (neřízený) vznícení od lokálně přehřátých míst (elektrod zapalovací svíčky, hran talíře ventilu, usazeného karbonu) (zvláštní případ při doběhu (zastavení) motoru s karburátorem)
Tlak ve válci (bar)
60
50
PŘEDZÁŽEH
40
STANDARD
30
20
10
•Detonační spalování Samovznícení zbytků dosud nespálené směsi v částech spalovacího prostoru, před čelem plamene. Samovznícení probíhá explosivně, za vzniku rázových vln o frekvenci 4-8 kHz a rychlosti 1200m/s.
ZVM - 2009
Scholz
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2
Zdvihový objem (dm3)
Detonační průběh hoření v zážehovém motoru
11
