Uvod o benzinskim motorima
Pretvaranje jednog oblika energije u drugi može se često izvesti u strojevima koje u svakodnevnom životu nazivamo motorima s unutarnjim izgaranjem. Da bi neki benzinski motor (ili diesel) bio upotrebljiv i koristan, potrebno je da se u njemu pretvaranje jednog vida energije u drugi vrši automatski, pouzdano i ekonomično. Na osnovu ovoga možemo reći: da pod benzinskim motorima u općem smislu podrazumijevamo strojeve koji su u stanju da automatski, pouzdano i ekonomično pretvaraju jednu vrstu energije u drugu, čije nam je korištenje prikladnije i korisnije.
Nikolaus August Otto (1832-1891) prvi put je izložio četverotaktni plinski motor u Parizu 1878. godine. Ovi motori bili su nepraktični zbog velike potrošnje goriva i neprikladnih uređaja za proizvodnju plina.
Neovisno jedan o drugome prve automobile s pogonskim motorom na benzin izradili su Carl Benz i Gottlieb Daimler. Carl Benz je 1885. godine prvi prijavio takav automobil za patent.
Odabrao sam ovu temu zato što su me motori zanimali od malena. U početku su to bili mali elektromotori. Sada su to veći i jači benzinski motori. Smatram da je budućnost autoindustrije u benzinskim motorima, i da će tako biti u idućim desetljećima. Ostali tipovi motora još u eksperimentalnim fazama razvoja i izrade i rijetko se primjenjuju u serijskoj proizvodnji u autmobobilskoj industriji.
Sve veća zagađenost našeg okoliša zahtijeva daljnje usavršavanje i poboljšavanje ekoloških parametara benzinskih motora.
Podjela motora po konstrukciji
Redni benzinski motori su motori s unutarnjim izgaranjem u kojima su dva ili više cilindara (najčešće 4) postavljeni u jednom redu.
V-motor ima 4,6,8,10 ili 12 cilindara (paran broj cilindara od 2 naviše). Postoje V2 i V16 motori, no oni se nikad nisu ugrađivali u serijska osobna vozila. Postavljaju se pod kutom od 90 stupnjeva čime se štedi na veličini motora.
Bokser-motor je motor s unutarnjim izgaranjem kod kojeg su cilindri smješteni jedan nasuprot drugome u jednoj horizontalnoj ravnini (pod kutem od 180o). Obično imaju paran broj cilindara: 2,4 ili 6. Prvi i najpoznatiji proizvođač je Porsche, koji je prvi konstruirao i upotrebio u svojim automobilima pri kraju 2. svjetskog rata .
Dijelovi benzinskog motora
- Filter zraka
- Povrat ispušnih plinova
- Otvor za punjenje ulja
- Usisna cijev
- Ispušna cijev
- Zamašnjak
- Alternator
- Koljenasto vratilo – “radilica”
- Uljna pumpa
- Korito za ulje
- Klackalica ventila
- Podizač klackalice ventila
- Ventili
- Svjećica
- Razdjeljnik paljenja
- Klip
- Cilindar
- Bregasto vratilo
- Čistač (filter) ulja
- Sito (predfilter) uljne pumpe
- Pumpa za gorivo
Rad četverotaktnog benzinskog motora
Radni ciklus u cilindru motora odvija se u vremenu u kojem klip izvrši četri puna hoda, dok koljenasto vratilo načini dva okretaja, a čine ga četri takta:
- usis
- kompresija
- ekspanzija
- ispuh
I. Usis
Usisavanje počinje kada se otvori usisni ventil. To je 10° do 20° koljenastog vratila prije gornje mrtve točke (GMT). Ranije otvaranje ventila potrebno je da se do gornje mrtve točke usisni ventil poptuno otvori. Tako se smanjuju ulazni vrtlozi koji mogu nastati pri ulasku plinova u cilindar. Kada se klip nalazi u gornjem položaju, on je u gornjoj mrtvoj točki. U toj točki klip mijenja smjer gibanja i kada dođe u donji položaj, onda je u donjoj mrtvoj točki (DMT). Put od jedne do druge mrtve točke naziva se klipni hod.
Za vrijeme usisavanja klip se giba od GMT do DMT. Zbog toga u cilindru nastaje podtlak. Veličina podtlaka za vrijeme usisavanja ovisi o brzini gibanja klipa, odnosno o broju okreta motora. Uzima se da je približna veličina podtlaka 80-90 kPa. U sredini klipnog hoda klipna brzina je najveća, a u mrtvim točkama jednaka je nuli. Smjesa dobije kinetičku energiju zbog razlike tlaka u cilindru i atmosferskog tlaka. Zbog ovisnosti tlaka o brzini gibanja klipa, tlak je različit u raznim točkama klipnog hoda. Pri strujanju smjese podtlak se može valovito mijenjati, to naglo mijenja tlak u cilindru. Zbog prigušivanja u usisnim vodovima neće se sva kinetička energija pretvoriti u potencijalnu, pa se tlakovi nikada neće izjednačiti, zato je i količina usisane smjese manja.
Volumen cilindra između gornje i donje mrtve točke je radni volumen (Vs). Volumen cilindra iznad gornje mrtve točke je kompresijski volumen (Vk). Kompresijski i radni volumen daju ukupan volumen cilindra (Vu).
U cilindru se usiše goriva smjesa u određenom težinskom omjeru koji ovisi o kemijskom sastavu goriva. Teoretski je na jedan kilogram benzina potrebno 14.5 kilograma zraka. To je idealna smjesa, takozvani stehiometrijski omjer. Za održavanje stehiometrijskog omjera zadužena je kompjuterska jedinica koja prati sve parametre motora.
II. Kompresija
Kompresijom se smanjuje volumen, a temperatura i tlak rastu. Kada se zatvori usisni ventil, klip se giba od DMT prema GMT i komprimira usisanu smjesu. Previsok tlak uzrokovao bi previsoku temperaturu i gorivo bi se samo zapalilo. Općenito vrijedi da temperatura gorive smjese mora biti oko 100°C niža od točke samozapaljenja goriva. Tako zagrijana smjesa zapali se električnom iskrom koju daje svjećica.
Koliko će biti kompresijski tlak ovisi o stupnju kompresije. Usisana smjesa komprimira se na 7-12 puta manji volumen od sisinog. Omjer između volumena usisane i komprimirane gorive smjese zove se omjer kompresije. Što je omjer kompresije veći, to je bolje iskorištena kalorična vrijednost goriva pri pretvorbi u mehanički rad. Prema tome, bilo bi dobro da omjer kompresije bude što veći, ali on je ograničen, jer bi se smjesa zbog visoke temperature mogla sama zapaliti, a to bi nepovoljno utjecalo na rad motora.
III.Ekspanzija
Nakon kompresije slijedi izgaranje smjese i ekspanzija izgorjelih plinova. Izgaranje goriva u motoru je oksidacija, tj. spajanje goriva s kisikom.
Pri izgaranju oslobađa se kemijska energija goriva i prelazi u toplinsku. Manji dio topline pretvori se u mehanički rad, a veći dio odlazi s ispušnim plinovima.
Izgaranje započinje kada električna iskra zapali komprimiranu smjesu goriva i zraka. Nakon pojave iskre izgaranje se naglo širi. Brzina izgaranja je relativno mala, iznosi 15-30 m/s, a povećava se dužinom puta izgaranja. Izgaranje može prijeći u eksploziju, čija je brzina 330-1000 m/s.
Pošto se mješavina zapali i izgori, naglo se povisuje tlak i temperatura u kompresijskom prostoru. Tlak djeluje na klip. Zbog oslobođenja toplinske energije tlak izgaranja je približno 5-6 puta veći od kompresijskog tlaka, a temperatura se povećava od 200 do 250 °C na 1100 do 1650°C. Jedan dio toplinske energije pretvata se u mehanički rad. Najviši tlak nakon izgaranja iznosi 4-6 MPa. Taj tlak djeluje na klip motora koji se počinje gibati prema donjoj mrtvoj točki.
Izgaranje goriva može biti potpuno i nepoptuno. Produkt potpunog izgarnaj je CO2, a nepotpunog vrlo otrovan plin CO, zbog kojeg motor ne smije biti u pogonu u zatvorenim prostorijama. Zbog visoke temperature u cilindru i zbog izgaranja vodika, na ispušnu cijev izlazi vodena para.
IV. Ispuh
Nakon ekspanzije treba iz cilindra istisnuti izgorjele plinove kako bi se ukupni volumen cilindra oslobodio za novo punjenje. Istiskivanje plinova počinje mnogo prije nego li klip dođe do DMT. Zbog toga se topli plinovi nalaze još pod tlakom 0.4 – 0.6 MPa.
Kada se ispušni ventil otvori, plinovi počinju izlaziti brzinom od 800 do 900 m/s. Ta brzina tj. kinetička energija izlaznih plinova, nastaje zbog pada tlaka, tj. potencijalne energije plinova. Velika izlazna brzina ispušnih plinova stvara jaku buku koja se kod motornih vozila prigušuje pomoću ispušnnog sustava (cijevi i lonaca).
Zaključak o benzinskim motorima
Smatra se da su benzinski motori uvelike promjenili način života ljudi. Velik utjecaj ostavili su u industriji gdje su zamijenili ljudsku snagu. To je izazvalo dosta negodovanja jer su radnici masovno dobivali otkaze, jer je motorna snaga jeftinija od ljudske. No radni strojevi nisu mogli u potpunosti zamjeniti čovjeka, na nekim mjestima čovjek je bio neophodan.
No nije sve tako crno, izum benzinskih motora olakšao je uvelike život ljudima. Prije svega motori su najveću primjenu našli u automobilima, gotovo svima prva stvar koju povezuju uz četverotaktni motor je automobil. S automobilom mi smo skratili putovanaja od jednog grada do drugog, čak i od jedne države do druge.
Četverotaktni benzinski motori koristiti će u automobilima još puno godina jer svi alternativni oblici goriva su još u fazi testiranja pa se još nemogu primjeniti u automobilima za serijsku proizvodnju.