Proces sagorevanja u radnom prostoru motora je ključni proces kada dolazi do oslobađanja toplotne energije sadržane u gorivu koja se daljom energetskom transformacijom pretvara u mehanički rad – obrtanje kolenastog vratila motora. U suštini, hemijski posmatrano, sagorevanje je proces sjedinjavanja atoma goriva sa kiseonikom (proces oksidacije), pri čemu su te hemijske reakcije egzotermne, odnosno odvijaju se uz oslobađanje određene količine toplote. Toplota oslobođena hemijskim reakcijama sagorevanja vrši zagrevanje gasova u radnom prostoru motora, pri čemu dolazi do povišenja njihove temperature i pritiska, odnosno raste potencijalna energija gasova. Ova potencijalna energija se u toku procesa širenja pretvara u mehaničku energiju – kretanje klipa, a posredstvom klipnog mehanizma dalje se pretvara u obrtanje kolenastog vratila. Zbog toga od načina na koji se odvija sagorevanje bitno zavise karakteristike motora, kako u pogledu razvijene snage i ekonomičnosti (potrošnje goriva), tako i u pogledu njegovih ekoloških karakteristika – toksičnosti izduvne emisije, buke i sl.

     Suština je u tome da proces sagorevanja u motoru mora biti kontrolisan, posebno u smislu njegove dinamike, tj. količine toplote koja se oslobađa u jedinici vremena, ili kako se to posmatra kod motora – po uglu obrtanja kolenastog vratila. S jedne strane, proces sagorevanja ne sme biti suviše brz – trenutan jer to predstavlja eksploziju, tj. detonaciju. U takvim uslovima je porast pritiska i temperature u radnom prostoru motora tako brz da je rad motora previše "tvrd" i u ekstremnim uslovima može doći i do ozbiljnih oštećenja, pa i razaranja motora. Do ovakvog eksplozivnog sagorevanja bi došlo ako bi sva goriva smeša, u celom radnom prostoru motora, bila spremna za sagorevanje i istovremeno upaljena tako da bi se sagorevanje istovremeno odvijalo po celoj zapremini. To bi bilo zapreminsko sagorevanje homogene smeše.

     S druge strane, previše razvučen proces sagorevanja, koji vremenski traje suviše dugo, odnosno, kolenasto vratilo za to vreme pređe prevelik ugao, je termodinamički neekonomičan. U tom slučaju se znatno manji procenat toplote oslobođene sagorevanjem goriva pretvori u mehaničku energiju, odnosno, u krajnjoj liniji u efektivnu snagu motora. Suština je, dakle, da dinamika odvijanja procesa sagorevanja, tj. dinamika oslobađanja toplote, mora na odgovarajući način biti kontrolisana, kako bi se obezbedilo da količina oslobođene toplote po uglu kolenastog vratila bude optimalna, ili bar približno optimalna.

     Upravo u načinu na koji se vrši upaljenje goriva i kontrola odvijanja procesa sagorevanja je bitna razlika između sagorevanja u oto motoru (benzinskom motoru) i dizel motoru, no da bi se ta razlika objasnila neophodno je najpre razmotriti obrazovanje gorive smeše jer je taj proces u tesnoj vezi sa odvijanjem samog procesa sagorevanja.

PROCES OBRAZOVANJA SMEŠE I SAGOREVANJA KOD OTO I DIZEL MOTORA

     Tok sagorevanja u motoru bitno zavisi od načina obrazovanja smeše i usko je povezan sa njim. Od toga kako se odvijaju ova dva procesa zavisi da li se motor približava oto ili dizel principu rada. U svakom slučaju, bez obzira da li se radi o oto ili dizel motoru, proces sagorevanja je uslovljen formiranjem smeše, koje, praktično, počinje već doziranjem goriva u struju vazduha, nakon čega sledi mešanje ove dve komponente i isparavanje goriva (premda se ove dve, zadnje pomenute pojave, u stvari, dosta prepliću ili odvijaju istovremeno), da bi, na kraju, došlo do iniciranja upaljenja i sagorevanja stvorene smeše.
Medutim, bez obzira što se isti procesi javljaju i kod oto i kod dizel motora, bitna je razlika u načinu, mestu i raspoloživom vremenu za odvijanje ovih faza obrazovanja smeše i sagorevanja kod ove dva tipa motora.

     Kod oto motora, da bi se obavilo brzo sagorevanje i oslobađanje toplote neophodno je obrazovati homogenu (dobro izmešanu) smešu pre sagorevanja. Pošto kvalitet homogenizacije bitno zavisi od dužine vremena mešanja i isparavanja goriva, to proces obrazovanja smeše mora otpočeti znatno pre sagorevanja, što znači: čak van cilindra, kako bi se obezbedilo dovoljno vreme i prostor za mešanje. Zato se kod oto motora doziranje goriva struji vazduha (bilo karburacijom, bilo ubrizgavanjem) obavlja skoro uvek van cilindra, da bi se taj proces, nakon usisavanja, nastavio u cilindru, tokom sabijanja, sve do upaljenja. Na kraju sabijanja, formirana homogena smeša ne sme biti u uslovima samopaljenja kako ne bi sva trenutno sagorela u celoj zapremini, odnosno kako ne bi došlo do nekontrolisanog detonativnog sagorevanja (koje je moguće s obzirom da se radi o homogenoj smeši). Zbog toga se upaljenje mora vršiti dirigovano (stranom energijom) na taj nacin što se prvo upaljenje inicira varnicom na elektrodama svećice, odakle se sagorevanje dalje nastavlja tako što se sferni plamen prostire kroz komoru postepeno zahvatajući sloj po sloj sveže smeše i oslobađajući toplotu.

     Nasuprot tome, kod dizel motora ne sme se formirati homogena smešu, već se mora raditi sa heterogenom (neizmešanom) smešom tako da se zakonom mešanja (odnosno obrazovanja smeše) diktira željeni tok sagorevanja, koji treba da bude takav da obezbedi umerenu promenu pritiska u cilindru tokom oslobađanja toplote. Sa druge strane, željeni zakon mešanja postiže se ubrizgavanjem goriva po odredenom zakonu. Da se zakon ubrizgavanja i zakon sagorevanja ne bi bitnije razlikovali i da ne bi došlo do neželjene homogenizacije, mora se obaviti ubrizgavanje goriva neposredno pre samog sagorevanja. Ubrizgano gorivo isparava, dolazi u dodir sa vazduhom i nakon stvaranja upaljive smeše pali se spontano, pod dejstvom visoke temperature sabijenog vazduha (iznad temperature samopaljenja goriva). To praktično znači da, čim deo isparelog goriva dospe u kontakt sa vazduhom, on sagoreva oslobađajući toplotu. Takav vid sagorevanja, koji je diktiran obrazovanjem smeše, naziva se difuzno sagorevanje.

     S obzirom da se ova publikacija bavi motorima na tečni naftni gas (TNG), čiji se rad u suštini odvija po oto principu: smeša se unapred priprema i homogenizuje, pali se električnom varnicom i sagoreva posredstvom fronta plamena, to će u daljem tekstu biti detaljnije razmotren proces sagorevanja kod oto motora.

KARAKTERISTIKE GORIVE I RADNE SMEŠE

    Već je u uvodnom delu rečeno da je sagorevanje u stvari proces oksidacije goriva (sjedinjavanja sa kiseonikom). Kako za sagorevanje u motoru nema raspoloživog čistog kiseonika, koristi se kiseonik iz vazduha koji predstavlja mešavinu azota, kiseonika i u vrlo maloj količini nekih drugih (inernih) gasova, čiji je uticaj beznačajan i u ovom slučaju će biti zanemaren. Posmatrano zapreminski vazduh se sastoji od približno 79% azota (N₂) i 21% kiseonika (O₂). Zapreminski udeo azota u vazduhu, dakle, iznosi r_N2=0,79 a kiseseonika r_O2=0,21. Ako se sastav vazduha posmatra maseno onda je nešto drugačiji i iznosi g_N2=0,77 i g_O2=0,23.

    Goriva koja se koriste u motorima, a koja su mineralnog (naftnog) porekla, sastavljena su od različitih vrsta ugljovodonika. U opštem slučaju hemijska oznaka ugljovodonika sa "x" atoma ugljenika (C) i "y" atoma vodonika (H) može se napisati kao C_xH_y. Pod pretpostavkom potpunog sagorevanja, ugljenik iz goriva sagorevajući formira ugljendioksid (CO₂) a vodonik vodenu paru (H₂O). Za popuno sagorevanje ugljovodoničnog goriva potrebna je određena količina kiseonika koja se može odrediti na osnovu tzv. "stehiometrijske" jednačine sagorevanja, balansiranjem materije pre i posle sagorevanja, odnosno leve i desne strane jednačine. Stehiometrijska jednačina sagorevanja ugljovodoničnog goriva ima oblik:

     S obzirom da se za sagorevanje koristi vazduh i imajući u vidu sastav vazduha, stehiometrijska jednačina sagorevanja glasi:

     Na levoj strani jednačine je, dakle, smeša, sastavljena od goriva i odgovarajuće količine vazduha, a na desnoj strani produkti potpunog sagorevanja. Količina vazduha potrebna za potpuno sagorevanje goriva (količina vazduha koja sadrži tačno onoliko kiseonika koliko je potrebno za potpuno sagorevanje) naziva se: stehiometrijska ili teorijska količina vazduha i obeležava se sa L₀. Na osnovu gornje jednačine i ako se izrazi u masenim jedinicama: kg vazduha potrebno za sagorevanje 1 kg goriva [kg vaz./kg gor.], stehiometrijska količina vazduha iznosi:

     gde je:
µ_vaz – molarna masa vazduha koja približno iznosi
µ_vaz 29 [kg vaz/mol vaz];
µ_gor – molarna masa goriva koja s obzirom na sastav goriva približno iznosi µ_gor (12x+y) [kg gor/mol gor].

     Ako je smeša formirana tako da na svaki kg goriva dolazi po L₀ kg vazduha, takvu smešu nazivamo teorijskom ili stehiometrijskom smešom, jer ona sadrži tačno onoliko vazduha (odnosno kiseonika) koliko je potrebno za potpuno sagorevanje goriva. U praksi oto motor može raditi sa stehiometrijskom smešom ali i sa smešom koja se po sastavu razlikuje od stehiometrijske, odnosno, po 1 kg goriva sadrži više ili manje vazduha od stehiometrijske količine L₀. Zbog toga se u praksi sastav gorive smeše izražava preko tzv. koeficijenta viška vazduha, koji se obeležava sa grčkim slovom "" i definisan je kao odnos (količnik) stvarne količine vazduha koja se pri formiranju smeše dovodi po 1 kg goriva, L_stv, i stehiometrijske količine L₀, tj.:

     S obzirom da L_stv i L₀ imaju iste dimenzije (kg vaz/kg gor) to je bezdimenzijski broj.
Iz definicije koeficijenta viška vazduha sledi sledeća veza između njegove vrednosti i sastava smeše:

• =1 – takvu smešu nazivamo teorijskom ili stehiometrijskom. Ona sadrži tačno onoliko vazduha koliko je teorijski potrebno za sagorevanje goriva.
• <1 – takvu smešu nazivamo bogatom. Ona sadrži manje vazduha (i kiseonika) nego što je terijski potrebno za potpuno sagorevanje (odnosno, bogata je u pogledu goriva). Jasno je da se pri sagorevanju bogate smeše u produktima sagorevanja moraju javiti i produkti nepotpunog sagorevanja, u prvom redu ugljenmonoksid (CO) i ostaci nesagorelog goriva, jer vazduha ni teorijski nema dovoljno za potpuno sagorevanje.
• >1 – takvu smešu nazivamo siromašnom. Ona sadrži više vazduha (i kiseonika) nego što je teorijski potrebno za sagorevanje goriva (odnosno, siromašna je u pogledu goriva). Jasno je da se pri sagorevanju siromašne smeše u produktima sagorevanja javlja i kiseonik.

     Od sastava smeše zavisi njena toplotna moć, termodinamičke osobine (spec. toplotni kapacitet i sl.) i, što je posebno važno, brzina sagorevanja, odnosno brzina prostiranja plamena kroz nesagorelu smešu. Otuda sastav gorive smeše ima velikog uticaja na tok procesa sagorevanja u motoru i time i na razvijenu snagu, ekonomičnost (potrošnju goriva) i sastav izduvnih gasova.

Sl.1– Brzina prostiranja plamena i granice osiromašenja

     Radi ilustracije, na sl. 1 prikazana je načelna zavisnost brzine prostiranja plamena, v_p, kroz homogenu smešu u komori sagorevanja oto motora u funkciji sastava smeše koji je izražen koeficijentom viška vazduha . Dijagram se odnosi na benzin kao osnovno gorivo oto motora ali u načelu važi i za druga ugljovodonična goriva. Vidi se da maksimum brzine sagorevanja leži u oblasti blago bogate smeše (0.85–0.95). Takođe su i uslovi paljenja i formiranja jezgra plamena najpovoljniji pri takvom sastavu smeše.

     Ukoliko se smeša obogaćuje povećanjem udela goriva u smeši, brzina sagorevanja opada, kod većeg obogaćenja se javlja i crni dim u izduvnim gasovima, da bi se na kraju došlo do "granice obogaćenja" kada paljenje i sagorevanje nije moguće. Obogaćenje smeše dovodi do smanjenja razvijene količine toplote jer je sagorevanje zbog nedostatka kiseonika nepotpuno, čime se smanjuje toplotna moć smeše. Do izostanka sagorevanja dolazi zbog otežanog kontakta molekula goriva i kiseonika i smanjenja toplotne moći smeše koja postaje nedovoljna za održanje hemijskih reakcija sagorevanja. Granica obogaćenja smeše je pri koeficijentu viška vazduha 0.4 – 0.6. Treba, takođe, reći da granica obogaćenja sa aspekta kvaliteta rada motora nije interesantna (osim činjenice da joj se sastav smeše ne sme približiti) jer su svi parametri (snaga, ekonomičnost, izduvna emisija) u njenoj blizini vrlo nepovoljni.

     Stehiometrijska smeša (=1) ima najveću toplotnu moć ali je brzina sagorevanja nešto manja nego sa blago bogatom smešom. Daljim osiromašenjem (smanjenjem udela goriva) toplotna moć smeše i brzina sagorevanja opadaju, tako da i stabilnost procesa sagorevanja opada, najpre u delovima komore u blizini relativno hladnih zidova, a zatim i šire, da bi se na kraju došlo do "granice osiromašenja" kada paljenje i sagorevanje izostaju. Granica osiromašenja je vrlo interesantna jer je rad sa siromašnom smešom veoma ekonomičan a i sastav izduvnih gasova povoljan. U proseku se javlja pri koeficijentu viška vazduha
1.2–1.3 ali ovu vrednost treba uzeti samo orijentaciono jer ona dosta zavisi od mnogih uslova koji se javljaju pri radu motora, kao što su npr. temperatura smeše, sadržaj zaostalih inertnih gasova i sl. Granica osiromašenja, takođe, zavisi i od konstrukcije komore sagorevanja i strujnih uslova koji vladaju u njoj (turbulentno strujanje), položaja svećice i snage električne varnice i sl. Vrše se intenzivna istraživanja sa ciljem proširenja granice osiromašenja.

     U svakom slučaju generalno se može zaključiti da su granice upaljivosti homogene smeše veoma uske, a kada se uzmu u obzir realni uslovi eksploatacije i potrebna rezerva u sastavu smeše, koja obezbeđuje bezbedno odstojanje od granica upaljivosti, realne granice su još uže.

     Formiranu smešu goriva i vazduha koja se dovodi motoru, kako je već rečeno, nazivamo gorivom smešom. Međutim, u cilindru motora uvek ima produkata sagorevanja iz prethodnog radnog ciklusa koji ne mogu biti izduvani u spoljnu okolinu, jer zaostaju u komori sagorevanja (kompresionom prostoru). Prema tome, tzv. radnu smešu predstavlja mešavina gorive smeše i zaostalih produkata sagorevanja koji su inertni i nepovoljno utiču na proces upaljenja i prostiranja plamena. Relativni udeo zaostalih gasova je pri punom opterećenju motora mali jer se motor napaja velikom količinom sveže gorive smeše. Međutim pri malom opterećenju (malom "gasu") udeo zaostalih gasova je znatan (i do 15%), zbog čega su i uslovi za odvijanje procesa sagorevanja nepovoljniji a granice upaljivosti uže.

     Može se sada postaviti pitanje: zašto se kod oto motora koriste različiti sastavi smeše, a ne koristi uvek stehiometrijska smeša, što bi na prvi pogled bilo sasvim logično? Odgovor je delom sadržan u gornjem dijagramu: blago bogata smeša ( 0,9) ima najveću brzinu prostiranja plamena i zbog toga motor pri radu sa takvom smešom razvija najveću snagu (videti i sl. 5). S druge strane, siromašna smeša ima najpovoljnije termodinamičke osobine zbog čega se sa blago siromašnom smešom ( 1,05–1.15) postiže najveća moguća ekonomičnost rada motora, odnosno, najmanja potrošnja goriva po jedinici razvijene snage (sl. 5). Sada se postavlja pitanje: kako pomiriti ove zahteve i kakav sastav smeše koristiti? Bogata smeša se koristi onda kada se želi maksimalna snaga motora, dakle, pri punom "gasu", kada su svi drugi zahtevi podređeni mogućnosti izvlačenja što veće snage iz motora. Nasuprot tome, pri delimičnom opterećenju ("gasu") u prvom planu je ekonomičnost rada motora i tada se koristi blago siromašna smeša. U praksi su zatevi nešto kompleksniji, ali ostaje generalno pravilo: sistem za ostvarenje smeše, bez obzira da li se radi o karburatoru ili ubrizgavanju goriva, regulisan je tako da pri delimičnim opterećenjima daje blago siromašnu smešu, a pri punom opterećenju ("gasu") blago bogatu smešu. U praksi se kod modernih motora donekle odstupa od ovog pravila ukoliko je motor opremljen tzv. katalizatorom, uređajem za naknadnu neutralizaciju toksičnih komponenti izduvnih gasova, koji zahteva nešto drugačiji sastav smeše, o čemu ćce biti više reči kod toksičnosti izduvnih gasova.

ODVIJANJE PROCESA SAGOREVANJA U OTO MOTORU

     Kao što je rečeno, jedna od osnovnih karakteristika sagorevanja u oto motoru je da se oslobađanje toplote, odnosno sagorevanje, vrši prostiranjem tzv. fronta plamena kroz komoru. Front plamena se formira nakon skakanja varnice na elektrodama svećice u određenom trenutku, odnosno u položaju kolenastog vratila definisanim tzv. "uglom pretpaljenja", tj. uglom pre spoljne mrtve tačke (SMT), kada dolazi do paljenja. Tada se, usled električnog pražnjenja, stvori veoma visoka temperatura što pali sloj smeše koji se nalazi u blizini tih elektroda. Jedan deo razvijene toplote, nastale sagorevanjem upaljene smeše, prenosi se na susedan sloj nesagorele smeše, koji se zagreva, pali i sagoreva oslobađajući novu količinu toplote koja, opet, jednim delom pali sledeći sloj nesagorele smeše itd. Tako, premeštanjem fronta plamena od svećice do suprotnog kraja komore, sagori celokupna smeša u komori motora.

Sl.2 – Prostiranje plamena i temperaturski profil u komori sagorevanja oto motora.

      Prostiranje fronta plamena i temperaturni profil u komori prikazani su šematski na sl. 2. Front plamena je u stvari uska zona, približno sfernog oblika sa centrom između elektroda svećice, koja razdvaja sagoreli gas (produkte sagorevanja) i nesagorelu smešu. U toj zoni se odvijaju hemijske reakcije oksidacije goriva tokom kojih se oslobađa toplota, tako da je ta uska zona okarakterisana velikom promenom temperature, koja je u svežoj smeši oko 800 K (500^oC), da bi, u oblasti sagorelog gasa, iznosila čak preko 2500 K (2200^oC). Približno front plamena može se predstaviti kao sferna ljuska koja se širi zahvatajući sve veći deo komore. Poželjno je da to širenje, odnosno brzina prostiranja plamena bude što veća kako bi se oslobađanje toplote obavilo pri maloj zapremini, u blizini spoljne mrtve tačke (SMT), kada su i uslovi, koji vladaju u komori sagorevanja, najpovoljniji za odvijanje hemijskih reakcija, čija brzina odvijanja eksponencijalno raste s porastom temperature.

a)

b)

Ugao kolenastog vratila mereno od tačke paljenja Sl.3–Snimci prostiranja plamena u
komori istraživačkog oto motora;
a) Bočni položaja svećice
b) Centralni položaj svećice.

     Na sl. 3 prikazani su snimci procesa sagorevanja u komori oto motora dobijeni na specijalnom istraživačkom jednocilindričnom motoru sa optičkim pristupom komori sagorevanja preko kvarcnog stakla. Položaji fronta plamena su snimljeni pri ugaonim položajima kolenastog vratila 10, 15, 20 i 25^o mereno od trenutka preskakanja varnice na elektrodama svećice. Serija snimaka a) se odnosi na bočni smeštaj svećice, dok se b) odnosi na njen centralni položaj. Vidi se da je nakon upaljenja varnicom potrebno izvesno vreme da bi se formiralo tzv. "jezgro plamena". Posle toga plamen se širi približno sferično određenom brzinom kroz komoru zahvatajući nove količine sveže smeše, sve dok sva smeša ne sagori.

     Već je rečeno da razvučeno sagorevanje, koje se odvija pri povećanoj zapremini, kada je klip već znatno udaljen od SMT nije ekonomično jer se tada manji deo razvijene toplote pretvara u mehanički rad. Zbog toga je veoma važno da se proces sagorevanja kompletira u blizini SMT, pri maloj zapremini. S obzirom da savremeni oto motor radi sa velikim brojem obrtaja (6000 o/min i više) to je vreme koje stoji na raspolaganju za odvijanje procesa sagorevanja veoma kratko, reda veličine oko par hiljaditih delova sekunde.

     Da bi proces sagorevanja bio efikasan i ekonomičan, neophodno je preduzeti sve mere kako bi se on ubrzao. Na sl. 3 se jasno vidi važan uticaj konstrukcije komore sagorevanja i položaja svećice. U slučaju bočnog položaja svećice put fronta plamena koji on mora da pređe kako bi celokupna smeša sagorela je dugačak (praktično do suprotnog zida komore), zbog čega je proces sagorevanja razvučen i za 25^o kolenastog vratila posle upaljenja sagorelo je oko 2/3 smeše. Nasuprot tome u slučaju centralnog položaja svećice put fronta plamena je znatno kraći, tako da je za isto vreme (25^o posle paljenja) praktično sagorela celokupna smeša. Dakle, dobra komora sagorevanja treba da bude kompaktnog oblika i sa svećicom što je moguće bliže centru.

     Drugi važan faktor uticaja na brzinu prostiranja fronta plamena i odvijanja sagorevanja je strujanje smeše u komori. Naime, ako u komori nema strujanja (mirna sredina) ili je strujanje laminarno (malom brzinom i bez vrtloga), govorimo o tzv. "brzini laminarnog plamena" koja je relativno mala i zavisno od vrste goriva iznosi 0,5–1 [m/s]. Ovako malom brzinom sagorevanje ne bi moglo blagovremeno da se obavi, odnosno, bilo bi vrlo razvučeno. Sasvim je druga situacija ako je u komori sagorevanja izazvano "turbulentno" strujanje smeše (haotično strujanje većom brzinom uz postojanje vrtloga). U tom slučaju govorimo o tzv. "turbulentnom plamenu" koji se prostire kroz komoru višestruko većom brzinom i time omogućava da i pri velikim brojevima obrtaja proces sagorevanja bude dovoljno brz, i završi se bez većeg razvlačenja u taktu širenja. Turbulentno strujanje se u komori sagorevanja motora izaziva već tokom procesa usisavanja, u toku strujanja smeše kroz usisne kanale i preko usisnog ventila (tzv. "usisna turbulencija") i, takođe, pogodnim oblikom komore i istiskivanjem smeše iz perifernih zona prema centru komore u toku procesa sabijanja (tzv. "turbulencija izazvana istiskivanjem"). Takve komore sagorevanja koje proizvode izrazito turbulentno strujanje nazivamo "turbulentnim komorama" i one kod savremenih brzohodih motora omogućavaju brz i efikasan proces sagorevanja i pri vrlo velikim brojevima obrtaja motora.

     Od ostalih uticajnih činioca na brzinu sagorevanja treba spomenuti sastav sveže smeše, udeo zaostalih gasova i temperaturske uslove koji vladaju u komori. Sastav sveže smeše ima velikog uticaja na brzinu sagorevanja, pri čemu najveću brzinu prostiranja plamena, kao što je već rečeno, ima blago bogata smeša, sa koeficijentom viška vazduha 0,9. Povećani udeo zaostalih gasova, što je takođe napomenuto, otežava uslove upaljenja, formiranja jezgra plamena i prostiranja plamena kroz komoru. Od velikog uticaja su i temperaturski uslovi koji vladaju u komori sagorevanja jer povišenje temperature ubrzava hemijske reakcije sagorevanja. Visoka temperatura se postiže odgovarajućim sabijanjem smeše pre paljenja, odnosno, odgovarajućim stepenom sabijanja motora. Pri tome treba imati u vidu činjenicu da temperatura sveže smeše ne sme biti previsoka, tj. ne sme preći granicu samopaljenja, jer bi u tom slučaju došlo do detonacije, o čemu će kasnije biti više reči. Temperatura smeše pred kraj sabijanja je glavni ograničavajući faktor za stepen sabijanja kod oto motora, tako da on kod savremenih motora ne ide preko 10 – 11, iako bi, termodinamički posmatrano, ekonomičnosti rada motora pogodovale veće vrednosti. Kod dizel motora, gde ne postoji opasnost od detonantnog sagorevanja, koriste se znatno veći stepeni sabijanja (15 – 20), što je jedan od glavnih razloga veće ekonomičnosti dizel motora.

NEŽELJENE POJAVE I EFEKTI TOKOM PROCESA SAGOREVANJA U OTO MOTORU

     Nažalost, osim prethodno objašnjenog normalnog odvijanja sagorevanja u oto motoru, ovaj proces mogu pratiti izvesne neželjene pojave koje ili umanjuju efikasnost ili ugrožavaju konstrukciju (pojava nekontrolisanog paljenja i detonacija) ili radnu okolinu motora (pojava toksičnih komponenata u izduvnim gasovima motora). Ukratko će se razmotriti nastanak ovih pojava, njihove efekte i mogućnosti otklanjanja.

Pojava detonacije

     Jedan od veoma negativnih nenormalnih vidova sagorevanja u oto motoru je pojava detonantnog sagorevanja. Detonantno sagorevanje je jedan vid eksplozivnog ili zapreminskog sagorevanja, tokom koga dolazi do trenutnog oslobađanja toplote u većem delu smeše. Zapreminsko sagorevanje nastaje kada se, u manjem ili većem delu zapremine radnog prostora, nađe homogena smeša podvrgnuta istim uslovima koji ispunjavaju kriterijume samopaljenja (pre svega, da je temperatura smeše iznad temperature samopaljenja). Tada dolazi do upaljenja i trenutnog sagorevanja tog dela smeše, što stvara nagli porast pritiska i temperature u cilindru.

     Povoljni uslovi za zapreminsko ili eksplozivno sagorevanje javljaju se ispred fronta plamena jer je deo još nesagorele smeše podvrgnut porastu temperature iz sledećih razloga: sabijanja pod dejstvom kretanja klipa prema SMT; sabijanja pod dejstvom fronta plamena, odnosno, širenja sagorelih gasova iza fronta na račun sveže smeše; pod dejstvom prenosa toplote iz zone reakcije na smešu ispred fronta plamena, i, usled zagrevanja pod dejstvom toplih mesta u komori. Usled tog porasta temperature smeše, mogu se javiti novi centri upaljenja, ispred fronta plamena, iz kojih se širi novi front plamena (sl. 4).

Sl.4– Pojava centara upaljenja u smeši ispred fronta plamena i promena pritiska u cilindru tokom
slabe (a) i jake (b) detonacije.

     Ukoliko se stvori više novih centara u većem delu još nesagorele smeše, doći ce do bržeg oslobađanja toplote i do bržeg lokalnog porasta temperature i pritiska. S obzirom da se promena pritiska prenosi brzinom zvuka kroz komoru, stvoreni talasi pritiska se šire kroz komoru, odbijaju o zidove cilindra i superponiraju, tako da stvara talase pritiska u cilindru motora, što se manifestuje visokofrekventnim oscilovanjem toka pritiska, prikazanim na sl. 4.

     Ovako ostvaren nagli porast pritiska u cilindru stvara jedno udarno dejstvo pritiska na klip motora i znatan porast sila u klipnom mehanizmu. Taj porast sila izaziva razbijanje uljnog (mazajućeg) sloja između kliznih metalnih površina i njihovog udara jedna o drugu, što je praćeno karakterističnim metalnim zvukom koji prati pojavu detonacije. Taj metalni zvuk ili zveckanje je manjeg ili većeg inteziteta, zavisno od inteziteta detonacije koji zavisi od količine nesagorele smeše izložene zapreminskom sagorevanju.

     Kratkotrajna detonacija ne mora da bude opasna, ali, ako se ona ponavlja sa pojačanim intezitetom, onda posledice detonacije mogu biti štetne po motor. Glavni problem pri detonaciji je porast mehaničkih i termičkih opterećenja. Iako porast mehaničkih opterećenja delova klipnog mehanizma zbog udarnog sagorevanja predstavlja problem, obično su kritičnija termička opterećenja klipa jer, zbog naglog lokalnog oslobađanja toplote, a time i naglog porasta temperature, ne uspeva da se ta toplota ravnomerno razvede, već ona izaziva lokalnu koncentraciju toplotnog fluksa iznad dela klipa gde se javljaju centri upaljenja. Toplota koju lokalno prima klip, ne uspeva da se odvede na rashladni medijum, već izaziva deformacije, topljenje metala klipa i slično, što dovodi do havarije motora. Dopunske prateće pojave jake detonacije su još pad snage i gubitak ekonomičnosti.

     Zbog toga se pojava detonacije mora sprečiti. Faktori koji utiču na pojavu detonacije mogu se svrstati u tri grupe: pripremni faktori, konstruktivni i radni faktori.

     Od pripremnih faktora najvažnije je samo gorivo, odnosno, bolje reći, njegov oktanski broj. Što je oktanski broj goriva veći, mogućnost pojave detonacije je manja. Gorivo sa većim oktanskim brojem poseduje veći indukcioni period pretplamenih reakcija, odnosno, period koji protekne od trenutka postizanja temperature upaljenja do oslobađanja toplote (sagorevanja plamenom), što omogućuje da glavni front plamena prođe kroz celu komoru. Oktanski broj goriva zavisi od vrste goriva, strukture molekula goriva i odnosa pojedinih grupa ugljovodonika (aromata, parafina itd.) u gorivu. Najjednostavniji način povećanja oktanske vrednosti je dodavanjem aditiva koji prekidaju pretplamene lančane reakcije. Nažalost, ti aditivi su najčešce na bazi jedinjenja olova (tetra-etil ili tetra-metil-olovo) koja, nakon sagorevanja, daju toksične ostatke. Zato, tendencija je u svetu, da se oni što manje koriste ili da se zamene drugim netoksičnim sastojcima.

     Konstruktivni faktori koji utiču na pojavu detonacije mogu biti različiti:

• Stepen sabijanja bitno utiče na mogućnost pojave detonacije jer, jednostavno, diktira i veličinu temperature smeše ispred fronta plamena. S obzirom da ovaj faktor ima primaran uticaj na pojavu detonacije, to je on i ograničavajući faktor pri izboru konstrukcije motora, primene goriva i regulacionih parametara motora.
  
  
• Konstrukcija komore sagorevanja utiče preko više parametara. Svi ti parametri, pre svega, treba da ili ubrzaju prostiranje plamena ili skrate njegov put kako bi se sagorevanje završilo pre isteka indukcionog perioda samopaljenja, odnosno pojave detonacije. Ti parametri su: kompaktnost komore, čime se skraćuje put i vreme prostiranja plamena kroz komoru a time i smanjuje mogućnost pojave detonacije; položaj svećice koji treba da bude što više u centru komore kako bi put plamena do najudaljenijeg dela komore bio što kraći; komora intezivnije turbulencije ubrzava prostiranje plamena i skraćuje vreme sagorevanja tako da smanjuje mogućnost pojave detonacije, jer plamen brzo zahvata delove smeše podložne detonaciji; pojava usijanih mesta u komori (užareni talozi, vreli izduvni ventili, usijane elektrode svećice i dr.) pospešuje stvaranje centara upaljenja (u tom pogledu najpovoljnije je da svećica bude što bliže eventualnom usijanom mestu, npr. izduvnom ventilu, kako bi plamen što pre prekrio sagorelim gasovima to mesto); veći broj svećica čime se skraćuje put plamena i vreme sagorevanja i time smanjuje mogućnost pojave detonacije.

     Radni faktori koji utiču na mogućnost pojave detonacije su sledeći:

• Ugao pretpaljenja je važan radni parametar koji može izazvati ili sprečiti detonaciju. U principu, pri ranijem pretpaljenju, veća je mogućnost pojave detonacije, jer su tada pritisci i temperature visoki, pošto se sagorevanje odvija pri najmanjoj zapremini radnog prostora (sa klipom u SMT).
  
  
• Režim rada bitno utiče na mogućnost pojave detonacije. Velika opterećenja motora (pun "gas") znače i više termičke nivoe, a time i veću mogućnost pojave detonacije. Pri tome su kritični manji brojevi obrtaja jer je tada brzina sagorevanja zbog nižeg intenziteta turbulencije manja, tako da je formiranje centara upaljenja verovatnije.
  
  
• Sastav smeše utiče na dužinu indukcionog perioda tako da blago bogatija smeša (koja se najbrže pali) najlakše detonira.
  
  
• Stvaranje taloga u komori utiče na pojavu usijanih mesta i pospešuje pojavu detonacije.

Toksičnost izduvnih gasova oto motora

     Potpuno sagorevanje, prikazano ranije stehiometrijskim jednačinama, idealan je slučaj koji se teško može ostvariti u realnim uslovima u motoru. Osim produkata potpunog sagorevanja, tokom sagorevanja, u motoru se javljaju i izvesne toksične komponente među kojima sa najvažnije sledeće:

1. Ugljenmonoksid (CO) vezuje hemoglobin u krvi sprečavajući razvođenje kiseonika po telu, što dovodi do opasnog trovanja.
   
   
2. Nesagoreli ugljovodonici (HC) iritiraju sluzokožu disajnih organa i očiju, dok teži ugljovodonici (pre svega aromatske osnove) mogu biti i kancerogeni. Uobičajena oznaka "HC" nije hemijska formula već simbol i podrazumeva različite vrste nesagorelih ugljovodonika (ustvari ostataka nesagorelog goriva).
   
   
3. Azotovi oksidi (NO_x) – pre svega azotmonoksid NO (koji čini oko 95 % svih azotovih oksida), azotdioksid NO₂ i znatno manji udeo ostalih azotovih jedinjenja sa kiseonikom – veoma su toksične komponente, jer osim iritacija i oboljenja disajnih puteva, učestvuju (pod dejstvom sunčevih zraka) na stvaranje tzv. foto-hemijskog smoga, štetnog po ljudsko zdravlje, i tzv. kiselih kiša štetnih po biljni svet. Oznaka "NO_x" je, dakle, simbol za različite okside azota.
   
   Stvaranje ovih komponenata potiče iz raznih izvora. Ugljenmonoksid CO nastaje kao produkt nepotpunog sagorevanja, pri nedostatku vazduha, zbog čega njega najviše ima pri radu sa bogatom smešom. Nesagoreli ugljovodonici HC se javljaju kao produkt nezavršenog sagorevanja zbog gašenja plamena u blizini zidova. Što je komora razuđenija, sa više relativno hladnih zidova, to je emisija HC veća. Azotovi oksidi nastaju kao produkt oksidacije azota iz vazduha pri ekstremno visokim temperaturama koje vladaju tokom sagorevanja (mahom iznad 2200 K). To znači da se oni pretežno formiraju pri visokim opterećenjima motora, ali pri radu sa dovoljnim viškom vazduha, odnosno kiseonika.
   
   Jedan od najvažnijih parametara uticaja na formiranje štetnih produkata je sastav sveže smeše. Načelna promena koncentracija CO, HC i NO_x u funkciji sastava smeše (izraženog preko koeficijenta viška vazduha ) prikazana je na sl. 5. Na slici je, takođe u funkciji sastava smeše, prikazana i promena specifičnog efektivnog rada motora p_e (čemu je proporcionalna razvijena snaga) i specifične efektivne potrošnje goriva g_e, odnosno, potrošnje po jedinici razvijene snage.

Sl.5– Efekat sastava smeše na emisiju toksičnih sastojaka u izduvnim gasovima, razvijenu snagu i potrošnju goriva
kod oto motora.
1 - oblast regulacije starijih motora
2 - oblast regulacije sadašnjih motora
3 - potencijalna oblast regulacije budućih motora
= 1 - oblast rada motora sa katalizatorom i
povratnom spregom

     Sadržaj CO rapidno raste u bogatoj smeši zbog nepotpunog sagorevanja, da bi ga u siromašnoj smeši bilo samo u neznatnoj meri. Koncentracija HC takođe je minimalna u blago siromašnoj smeši da bi, sa obogaćenjem, njegov udeo postepeno rastao zbog nedovoljne količine vazduha za oksidaciju HC. U siromašnoj smeši, sadržaj nesagorelih HC počinje opet naglo da raste zbog izostanka upaljenja pri isuviše siromašnoj smeši u blizini granice osiromašenja. Sadržaj NO_x u bogatoj smeši je mali jer nema dovoljno kiseonika za oksidaciju azota, bez obzira što je tu temperatura sagorevanja visoka. Zato, sa blagim osiromašenjem, koncentracija NO_x raste do izvesne maksimalne vrednosti jer, uz još uvek visoku temperaturu sagorevanja, postoji višak kiseonika za oksidaciju azota. Daljim osiromašenjem opada temperatura sagorevanja tako da, uprkos dovoljnom višku kiseonika, sadržaj NO_x opada.

     Nažalost, problem je što tamo gde su koncentracije CO i HC niske (a to je oblast blago siromašne smeše ( = 1.05 ÷ 1.1) tamo je i koncentracija NO_x najveća. Obično je, kod starijih motora, sadržaj CO bio najkritičniji jer su oni radili sa blago bogatom smešom sa kojom je vozivost vozila najpovoljnija, uprkos nešto većoj potrošnji (oblast 1 – sl. 5). Zbog zakonskih propisa o aerozagađenju, danas se bira regulacija motora sa blago siromašnom smešom (oblast 2 – sl. 5) kada je emisija CO i HC relativno niska, dok se udeo NO_x rešava drugim zahvatima (smanjenje pretpaljenja, razređenje sveže smeše i dr.). Postoji tendencija da budući oto motori rade sa ultra-siromašnom smešom (oblast 3 – sl. 5) kada su sve tri komponente niske. U toj oblasti može doći do neregularnog rada motora zbog izostanka paljenja, tako da su ovi motori još uvek u eksperimentalnoj fazi.

     Međutim, veoma strogi sadašnji a naročito budući zakonski propisi o toksičnosti izduvnih gasova, teško se mogu zadovoljiti samo izborom regulacije i usavršavanjem motora, tako da se mora primeniti dopunsko poboljšanje kvaliteta izduvnih gasova uz pomoć primene katalitičkog konvertora – ili popularno rečeno katalizatora. Njegova uloga je da u izduvnom sistemu, u prisustvu katalizatora (obično, nekog plemenitog metala), intenzivira oksidaciju CO i HC (ukoliko u izduvnom gasu ima kiseonika) ili redukciju NO_x (ukoliko u izduvnom gasu nema kiseonika) i njihovo pretvaranje u neškodljive produkte potpunog sagorevanja. Proces istovremene redukcije i oksidacije je jedino moguć ukoliko motor radi sa precizno održavanom teorijskom smešom ( = 1). Zbog toga je danas veoma aktuelna elektronska regulacija obrazovanja smeše i održavanje stehiometrijske smeše pomoću povratne sprege, merenjem sastava izduvnih gasova (pomoću tzv. " – sonde" ili "O₂-senzora") i korekcije ubrizgane količine goriva, u cilju održavanja = 1 u vrlo uskim granicama.

     Na kraju, pomenuće se još jedna toksična komponenta u izduvnim gasovima oto motora, iako ona ne potiče od sagorevanja. To je olovo, odnosno, olovni oksidi, koji se javljaju kao posledica prisustva antidetonacionih aditiva u gorivu. S obzirom na njegovu veliku toksičnost, a, takođe, i zbog taloga koje stvara olovo u katalizatoru – neutralizatoru toksičnih sastojaka u izduvnom sistemu, čija efikasnost zbog taloga opada (može doći i do potpune dezaktivacije), danas je primena bezolovnog benzina sve rasprostranjenija.

(Autor je rukovodilac Instituta za motore
Mašinskog fakulteta u Beogradu)