Клипни мотор

Погон летелица

За постизање ове равнотеже неопходан је систем погона, мотор + + +.

Врсте

1. Ваздухопловни мотор 1.1 Мотори са унутрашњим сагоревањем: 1.1.1 Клипни мотор 1.1.1 Линијски клипни мотор 1.1.2 Радијални клипни мотор 1.1.3 Ротациони клипни мотор 1.1.4 V клипни мотор 1.1.5 Боксер клипни мотор 1.1.6 Ванкелов мотор 1.2 Погон без процеса сагоревања: 1.2.1 Људски погон летелице 1.2.2 Електро мотор 1.3 Реактивни мотори: 1.3.1 Млазни мотори: 1.3.1.1 Елисномлазни мотор 1.3.1.2 Турбоелисни мотор 1.3.1.3 Турбомлазни мотор 1.3.1.4 Двопроточни турбомлазни мотор 1.3.1.5 Пулсирајући млазни мотор 1.3.1.6 Набојномлазни мотор 1.3.1.7 Надзвучни набојномазни мотор 1.3.1.8 Мотокомпресорски реактивни мотор 1.3.2 Ракетни мотори 1.3.2.1 Ракетни мотор са хемијским горивом 1.3.2.2 Јонски мотор

Портал:Ваздухопловство

Четворотактни циклус СУС мотора: 1-усисавање гориве смеше, 2-компресија, 3-сагоревање гориве смеше покреће клип, 4-избацивање продуката сагоревања

Мотори са унутрашњим сагоревањем (СУС мотори) су топлотни мотори код којих продукти сагоревања (који су вишег енергетског потенцијала, насталог ослобађањем топлоте), својим директним дејством врше механички рад.

Појам мотор с унутрашњим сагоревањем обично се односи на СУС-моторе код којих се процес сагоревања обавља с прекидима. Осим ових, постоје и мотори с унутрашњим сагоријевањем код којих се процес сагоревања обавља континуирано и такви мотори су гасне турбине, млазни мотори (реактивни мотори) и већина ракетних мотора. Ватрено оружје је исто тако форма машине са унутрашњим сагоревањем. Ови СУС-мотори с континуираним процесом сагоревања раде на истом принципу као и претходно описани.

Примена

Мотор с унутрашњим сагоревањем најчешће се користи за погон аутомобила, грађевинских, пољопривредних и преносних машина и највећи број возила. Највећа предност ових извора енергије јесте релативно добар однос тежине и снаге мотора. Генерално користећи фосилна горива, ови мотори су нашли широку примену код готово свих возила (аутомобили, камиони, моторцикли, бродови и неки типови авиона и локомотива). У случајевима где је потребна велика снага уз малу тежину мотора користе се гасне турбине. Такве примене се налазе код авиона, хеликоптера, великих бродова и слично.

Радни циклус

Сваки СУС мотор у току свог рада мора обавити основна 4 процеса:

1. усисавање,
2. сабијање (компресија),
3. сагоревање, односно ширење (експанзија) и
4. издувавање.

Разлике између типова СУС мотора су у времену, месту и начину вршења ових процеса. Неки мотори врше све процесе у исто време, али на различитим местима у мотору (нпр. млазни мотор), а неки врше процесе на истом месту, али у различито време (нпр. клипни Ото и Дизел мотори).

1. Усисавање

Први процес у току рада СУС мотора је усисавање. У овом процесу се смеша ваздуха и горива усисава у мотор (код мотора са спољашњим образовањем смеше, нпр. Ото мотор са карбуратором) или се усисава само ваздух, а гориво се убризгава под притиском (Ото мотор са директним убризгавањем). Код неких мотора се гориво убризгава тек у процесу компресије (Дизел мотор). Задатак процеса усисавања јесте да мотор обезбеди смешу горива или само ваздух за касније сагоревање.I тај се процес понавља након посљедњег процеса тј.издува.

2. Сабијање

Процес компресије је врло битан, јер се у њему обезбеђују услови за сагоревање. У овом процесу мотор сабија усисану смешу, или само ваздух, повећавајући јој притисак и температуру. Већи притисак омогућава брже и експлозивније сагоревање, јер су молекули кисеоника из ваздуха и горива збијени и гориво много брже "похвата" молекуле кисеоника, брже реагује са њима при сагоревању. Код Дизел мотора, при крају сабијања се убризгава гориво и образује смешу. Такт бр. 2 на анимацији је процес сабијања.

3. Сагоревање, ширење (експанзија)

У процесу сагоревања смеша горива и ваздуха се пали и сагорева ослобађајући огромну количину енергије. Гасови настали као производ сагоревања су под знатно већим притиском и температуром него смеша и имају огромну потенцијалну енергију. Начин паљења и сагоревања се разликује међу врстама мотора. Први тренуци такта бр. 3 на анимацији (бљесак) одговарају процесу сагоревања.

Експанзија је процес који даје снагу мотору, тј. врши користан механички рад. Сви остали процеси постоје само да би створили услове за овај процес. У овом процесу сагорели гасови са огромном потенцијалном енергијом се шире, потискујући клип у клипном мотору, ротор у ванкел мотору, турбину у елисном млазном мотору или стварајући директан потисак у потисном млазном мотору; вршећи механички рад. Овом процесу одговара већи део 3. такта анимације (онај после бљеска).

4. Издувавање

Кад сагорели гасови своју потенцијалну енергију претворе у механички рад, постају бескорисни. Процес издувавања је задужен да бескорисне гасове избаци у атмосферу. Такт бр. 4 анимације је процес издувавања.

Код клипних мотора, због брзине одвијања ових процеса и инерције гасова, често се 2 процеса врше у исто време (следећи почне пре него што се претходни завршио). Нпр. процес сагоревања код четворотактних Ото и Дизел мотора се често "преклапа" са процесима сабијања и ширења.

Подела

Деле се на:

• клипне (мотори променљиве запремине):
  • ротациони, тј. са обртним клиповима (ванкелов мотор);
  • транслаторни (линијски), тј. са осцилујућим клиповима. У ужем смислу, назив клипни мотори означава ове моторе, а користи се и назив "класични" клипни мотори. У ову групу спадају ото мотори и дизел мотори, а могу бити двотактни и четворотактни.
• струјне (гасна турбина, млазни и ракетни мотори);

Подела по тактности

Двотактни мотори

Принцип рада двотактног мотора је једноставан. Двотактни мотор има два такта. Први такт садржи усисавање и компримовање ваздуха, док је други такт радни, односно садржи експанзију и избацивање сагорелих гасова. Кретањем клипа из доње мртве тачке (у даљњем тексту ДМТ) започиње први такт. На доњем делу зида цилиндра налазе се усисни канали за усисавање свежег ваздуха који потискује пуњач. Проласком клипа изнад усисних канала престаје доток свежег ваздуха и почиње компримовање ваздуха. Клип се креће према горњој мртвој тачки (у даљњем тексту ГМТ). Кад клип стигне у ГМТ, започиње радни такт. Међутим, убризгавање горива започиње неколико степени пре ГМТ-а. Убризгавањем горива у простор цилиндра оно се самозапаљује због високе температуре компримираног зрака и фино распршеног горива. Гориво се убризгава под притиском од око 150 бара. Након експанзије клип се креће према ДМТ-у и окреће вратило на које је спојен. Избацивање сагорелих гасова почиње кад клип својим кретањем према ДМТ-у отвори испушне канале на зиду цилиндра, који су смештени изнад усисних канала тако да већина изгореле смесе изиђе ван простора цилиндра, тако да, кад клип отвори усисне канале, свежи ваздух помогне испирању цилиндра од изгореле смесе. Доласком клипа у ДМТ завршава се радни такт и почиње први.

Горњи опис је опис двотактног дизелског мотора, а код бензинских мотора постоји неколико разлика. У цилиндар се убацује смеса ваздуха и горива, која се притиска, а затим се, неколико ступњева пре ГМТ-а, пали искром из свећице.

Четверотактни мотори

Принцип рада четверотактних мотора мало је сложенији од рада двотактног мотора. Први такт је усисавање гориве смесе или ваздуха. Кретњом клипа из ГМТ-а према ДМТ-у отвара се усисни вентил, који се затвара нешто пре доласка клипа у ДМТ. Следи други такт или компримирање смесе (ваздуха). Кретњом клипа из ДМТ-а према ГМТ-у клип компримује смесу (ваздух), која се пали неколико ступњева пре ГМТ-а. Код бензинских мотора свећица пали смесу ваздуха и бензина, а код дизелских мотора гориво се убризгава у цилиндар у којем је сабијени ваздух високе температуре и оно се самозапаљује. Трећи такт је експанзија, која је радни такт. Клип се креће из ГМТ-а према ДМТ-у експлозијом насталом запаљивањем смесе. Нешто пре ДМТ-а отвара се испушни вентил и клип својим кретањем према ГМТ-у истискује изгорелу смесу изван цилиндра. Нешто пре ГМТ-а отвара се усисни вентил, који додатно поспешује испирање цилиндра. Доласком клипа у ГМТ затвара се испушни вентил и завршава испушни такт те процес почиње испочетка.

Подела по врсти израде

Редни мотори

Редни мотори су мотори с унутрашњим сагоревањем у којима су два или више цилиндара (најчешће 4) постављени у једном реду.

V-мотор

Производе се са 2, 4, 6, 8, 10 или 12 цилиндара (паран број цилиндара од 2 навише). Постављају се под углом од максимално 90 степени, чиме се штеди на величини мотора.

Боксерски мотор

Боксерски мотор је мотор с унутрашњим сагоревањем код којег су цилиндри смештени један насупрот другог у једној хоризонталној равни (под углом од 180°). Обично имају паран број цилиндара: 2, 4 или 6. Први и најпознатији произвођач је Порше, који је први конструирао и употребио овај мотор у својим аутомобилима недуго након Другог светског рата (1946).

У бродској примени, тј. за велике моторе израђивао се Доксфорд мотор.

ВР-мотори

Комбинација редног и V-мотора

Звездасти мотор

Звездасти мотори су мотори с унутрашњим сагоревањем код којих су цилиндри распоређени звездасто с радилицом у средини. Основна примена им је у авијацији, а понекад су се уграђивали и у тенкове. Специфичност распореда цилиндара омогућује врло ефикасно хлађење зрачном струјом, па самим тим код употребе у авионима није потребан никакав додатни систем хлађења те се тако остварује и уштеда на тежини. Следећа уштеда на тежини јест и у облику излазног вратила – радилице, која је изведена са само једним кољеном, за разлику од свих осталих конструкција, где је потребно по једно колено за сваки цилиндар код редних или по једно колено за сваки пар цилиндара код V-мотора.

Клипни СУС мотори

Клипни мотори са унутрашњим сагоревањем су мотори који се користе на данашњим аутомобилима. Осим на моторним возилима (путничким аутомобилима, камионима, мотоциклима), радним машинама (тракторима, комбајнима и др.) и механизацији уопште, користе се и на бродовима (велики, спороходни дизел мотори), чамцима, а у мањој мери и за погон локомотива и летелица. Процењује се да се у овим моторима потроши преко 25% укупне светске потрошње енергије (индустрија, транспорт, грејање, ...). У друмском транспорту троше скоро 99% енергије, у воденом преко 75%, док у железничком и ваздушном и мање од 10%. Ови мотори остварују механички рад на рачун потенцијалне енергије продуката сагоревања.

Код моторних возила се у огромној већини користе "класични" клипни мотори (тј. ото и дизел мотори), мада стално има покушаја за увођење ванкеловог мотора. Постоје и покушаји уградње гасне турбине (амерички тенк М1 Абрамс има овакав погон), али то је изводљиво само код тешких возила. У последње време присутни су у хибридни погон, па и електрични.

Аутомобилски мотори као гориво користе (моторни) бензин, дизел гориво или течни нафтни гас - ТНГ (тзв. плин), евентуално Компримовани природни гас - КПГ. Због недостатка нафте као основне сировине, аутомобилска индустрија покушава да нађе алтернативну врсту горива.

„Класични“ клипни СУС мотори

5-цилиндарски клипни СУС мотор са радијалним рапоредом цилиндара (тј. "звездасти" мотор)

Међу клипним СУС моторима апсолутну доминацију у примени имају транслаторни (линијски) клипни мотори са унутрашњим сагоревањем (СУС), тј. "класични" клипни СУС мотори. Ту спадају ото (Николас Ото) - називани још и бензински мотори и дизел мотори (Рудолф Диесел). Они се међусобно разликују по термодинамичком циклусу по којим раде (и по којима су и добили имена), из чега произилази и принципијелна разлика у врстама горива које користе: ото мотори користе моторне бензине, али и алтернативна горива, као што су ТНГ, КПГ и ТПГ, алкохолна горива, евентуално и биогас, док дизел мотори користе дизел гориво и биодизел, евентуално делимично и КПГ и ТПГ. I једни и други могу бити двотактни или четворотактни. Остале разлике су следеће:

• Ото мотори: након сабијања смеше горива и ваздуха, до њеног упаљења долази варницом, која настаје на свећици. Нема експлозије, сагоревање се врши по слојевима. Смеша се код старијих модела мотора формирала у карбуратору, а данас убризгавањем горива ("ињецтион мотори"), било испред цилиндра (једна или више бризгаљки), било директно у цилиндар (што је ретко). За чишћење њихових издувних гасова користи се "катализатор".
• Дизел мотори: сабија се чист ваздух и након убризгавања горива долази до спонтаног паљења и сагоревања, услед повишене температуре и притиска, насталих сабијањем ваздуха. Нема свећица (осим грејача на неким моторима, који се накад називају и дизел свећице). Спородохнији су и вежи/тежи по јединици снаге (осим код турбо мотора), али ефикаснији. За филтрирање издувних гасова дизел мотора се користи ДПМ филтер (Диесел Партицулате Маттер, дизел честична материја тј. чађ).

Могу се поделити по више критеријума, нпр. по броју цилиндара (једноцилиндарски, двоцилиндарски, троцилиндарски, четвороцилиндарски, ...) и распореду цилиндара (линијски, V, W, боxер, звезда...).

Радни циклус четворотактног ОТО мотора

Четворотактни циклус ото мотора се састоји од следећих тактова (корака рада), који су приказани и на анимацији:

• 1. Усисавање горива и ваздуха кроз вентил, клип се креће ка УМТ, тј. повећава радни простор
• 2. Сабијање (компресија) смеше горива и ваздуха, клип се креће ка СМТ, тј. смањује радни простор
• 3. Сагоревање горива покренуто електричном искром, притисак покреће клип, клип се креће ка УМТ, тј. повећава радни простор
• 4. Избацивање продуката сагоревања, циклус се враћа на корак 1, клип се креће ка СМТ, тј. смањује радни простор

СМТ (спољна мртва тачка) - најудаљенија тачка до које може стићи клип УМТ (унутрашња мртва тачка) - најближа тачка до које може стићи клип

Основни делови клипних СУС-мотора

Основни делови мотора зависе од изведбе и величине мотора. Основни делови СУС-мотора јесу носач мотора, блок мотора, коленасто вратило, клип, клипњача, цилиндар, глава мотора, испушни и усисни вентили, расплињач и пумпа високог притиска за убризгавање горива (код дизелских) или карбуратор и свећица (код Ото-мотора).

Носач мотора

То је доњи део мотора, на којем је смештен цели мотор са свим његовим деловима. С његове доње стране налази се резервоар који служи као спремиште за уље за подмазивање код мањих мотора, а код већих мотора овај резервоар служи за сакупљање, а потом за одвођење уља у посебан резервоар.

Блок мотора

Он је у ствари кућиште мотора у којем се практично налазе сви делови мотора. У њему су и цилиндри мотора, као и отвори за хлађење мотора, којима циркулира расхладно средство. Блок мотора код аутомобила најчешће се израђује од лаке легуре због смањења целокупне масе аутомобила. Блокови великих мотора (као што су бродски) израђују се ливењем.

Коленасто вратило

Главни задатак коленастог вратила или радилице јесте да праволинијско кретање клипа претвори у ротирајуће кретање на излазу из мотора, тј. да енергију која је настала у цилиндру током процеса сагоревања преко низа елемената мотора (клипа, клипњаче) пренесе на излазну осовину. Преко коленастог вратила та енергија се даље предаје точковима, односно осовини бродског вијка или осовини воза. Коленасто вратило састоји се од низа колена, а њихов број зависи од броја цилиндара СУС-мотора.

Клипњача

Клипњача је елемент који се налази унутар цилиндра и спојни је елемент између клипа и коленастог вратила код малих мотора, односно између главе мотора и коленастог вратила код великих бродских мотора. Својим праволинијским кретањем учествује у претварању праволинијског кретања клипа у обртање коленастог вратила, односно радилице. Обично се израђује ковањем или ливењем.

Клип

Клип је део мотора који се налази унутар цилиндра мотора и који се креће праволинијски од ГМТ-а до ДМТ-а. Ослобођену енергију у току такта сагоревања преноси преко клипњаче на кољенасто вратило, при чему се праволинијско кретање клипа манифестира обртањем коленастог вратила.

Вентили

Усисни и испушни вентили најчешће су смештени у глави цилиндра, тј. на врху цилиндра мотора. Најчешћа изведба је од два вентила по цилиндру, код већине четверотактних мотора, дакле, 1 усисни и 1 испушни вентил. Код новијих бензинских мотора појављује се изведба од 4 вентила по цилиндру: 2 усисна и 2 испушна. Ретко се појављује и изведба с 3 вентила по цилиндру. Код такве изведбе један је усисни вентил, а два су испушна. Вентили се погоне брегастим вратилом, које је зупчастим ременом спојено с коленастим вратилом. Најважнија ствар је усклађеност положаја брегастог с положајем коленастог вратила због правовременог отварања и затварања усисних и испушних вентила, да се не би десило да клип дође у додир с вентилима за време свог праволинијског кретања у цилиндру. Двотактни мотори имају само испушни вентил (или више њих) док се усисавање обавља помоћу канала на кошуљици цилиндра.

Пумпа високог притиска за убризгавање горива

Пумпа високог притиска за убризгавање горива је уређај за убризгавање горива а налази се само код дизел мотора због другачијег процеса који се одвија у цилиндру мотора. Наиме код дизел мотора не постоје свећице које иницирају паљење гориве смесе већ се при крају такта сабијања када притисак ваздуха у цилиндру достигне одређени притисак и одређену температуре, у цилиндар убризгава гориво под високим притиском при чему долази до његовог самозапаљења услед високог притиска и температуре сабијеног ваздуха који се налази у цилиндру. Притисак убризгавања је растао током развоја ове врсте мотора те је данас достигао вредност од 1200 бара.

Брегасто вратило

Ова специјална врста вратила на себи има тзв. брегове, који приликом обртања брегастог вратила отварају и затварају усисне, односно испушне вентиле. Ово вратило спојено је с кољенастим, а веза између њих остварује се преко различитих преносних механизама: зупчастим преносом (зупчастим ременом и зупчастим ременицама), ланчаним преносима (ланцем и ланчаником) и слично.

Карбуратор

Карбуратор је уређај који се налази испред цилиндра мотора и у којем се прави смеша ваздуха и горива за мотор с унутрашњим сагоревањем. Карактеристика карбуратора је та да се користи само код бензинских мотора јер служи за распршивање горива у струји ваздуха пре него се та смеша усиса у цилиндар за време првог радног такта. Карбуратор је био међу првим патентима Карла Бенза, јер је он развио мотор с унутрашњим сагоревањем и његове делове. Године 1885. Вилхелм Мајбах и Готлиб Дајмлер развили су карбуратор за свој мотор, чији се рад заснива на принципу убризгавања бризгалицама. Карбуратори су били уобичајени део бензинских мотора произведених у већем делу САД-а до краја 1980-их, кад је превладао принцип убризгавања горива у цилиндре СУС-мотора.

Већина произвођача аутомобила наставила је с уградњом карбуратора због нижих трошкова, али од 2005. многи нови модели уводе принцип убризгавања горива.

Свећица

Код бензинских СУС-мотора, за разлику од дизелских, користе се свећице. То је мали електрични уређај који високи напон с магнета претвара у искру на њеном врху за паљење гориве смеше у цилиндру СУС-мотора. Паљење искре дешава се на крају такта сабијања, услед чега долази до процеса сагоревања гориве смеше, чиме отпочиње радни такт сагоревања.

Међу првим изумитељима који су патентирали свећицу били су Никола Тесла, Ричард Симс и Роберт Бош. Карл Бенз такође је значајно придонео њеном развоју.

Струјни СУС мотори

Код струјних мотора, рад се остварује на рачун кинетичке енергије продуката сагоревања, који експандирају у облику млаза који се користи било за стварање потиска било обртног момента.

Гасна турбина користи за свој погон гас, млазни мотори користе керозин, а ракетним осим горива, треба испоручивати и кисеоник.

Види још

• Мотор
• Аутомобилски мотори

Литература

• Јамес, Фалес. Тецхнологy Тодаy анд Томорроw. стр. 344. 

• Пулкрабек, Wиллард W. (1997). Енгинееринг Фундаменталс оф тхе Интернал Цомбустион Енгине. Прентице Халл. стр. 2. ИСБН 9780135708545. 
• Нуннеy, Малцом Ј. (2007). Лигхт анд Хеавy Вехицле Тецхнологy (4тх изд.). Елсевиер Буттерwортх-Хеинеманн. ИСБН 978-0-7506-8037-0. 
• Стоне, Рицхард (1992). Интродуцтион то Интернал Цомбустион Енгинес (2нд изд.). Мацмиллан. ИСБН 978-0-333-55083-0. 
• Анyебе, Е.А (2009). Цомбустион Енгине анд Оператионс, Аутомобиле Тецхнологy Хандбоок. 2. 
• Сингал, Р. К. Интернал Цомбустион Енгинес. Неw Делхи, Индиа: Катариа Боокс. ИСБН 978-93-5014-214-1. 
• Рицардо, Харрy (1931). Тхе Хигх-Спеед Интернал Цомбустион Енгине. 
• ЕС 433850, Убиерна Лациана, "Перфецционамиентос ен Моторес де Еxплосион, цон Цинцо Тием-Пос y Добле Еxпансион", публисхед 1. 11. 1976. 
• ЕС 230551, Ортуно Гарциа Јосе, "Ун Нуево Мотор де Еxплосион", публисхед 1. 3. 1957. 
• ЕС 249247, Ортуно Гарциа Јосе, "Мотор де Царрерас Дистинтас", публисхед 1. 9. 1959. 
• Сингер, Цхарлес Јосепх; Рапер, Рицхард (1978). Цхарлес, Сингер; et al., ур. А Хисторy оф Тецхнологy: Тхе Интернал Цомбустион Енгине. Цларендон Пресс. стр. 157—176. ИСБН 9780198581550. 
• Сетригхт, ЉК (1975). Соме унусуал енгинес. Лондон: Тхе Институтион оф Мецханицал Енгинеерс. ИСБН 978-0-85298-208-2. 
• Сузуки, Такасхи (1997). Тхе Романце оф Енгинес. УС: Социетy оф Аутомотиве Енгинеерс. ИСБН 978-1-56091-911-7. 
• Харденберг, Хорст О. (1999). Тхе Миддле Агес оф тхе Интернал Цомбустион Енгине. УС: Социетy оф Аутомотиве Енгинеерс. 
• Гунстон, Билл (1999). Девелопмент оф Пистон Аеро Енгинес. ПСЛ. ИСБН 978-1-85260-619-0. 

Спољашње везе

• Combustion video
• Animated Engines
• Intro to Car Engines
• Walter E. Lay Auto Lab
• Animation of the components and built-up of a 4-cylinder engine
• Animation of the internal moving parts of a 4-cylinder engine
• Next generation engine technologies retrieved May 9, 2009
• MIT Overview
• Engine Combustion Network Архивирано на сајту Wayback Machine (3. октобар 2012)
• Automakers Show Interest in an Unusual Engine Design
• How Car Engines Work
• A file on unusual engines [1]
• Aircraft Engine Historical Society -AEHS [2]