SOOJUSJÕUSEADMED (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Mehaanikateaduskond
Soojustehnika instituut
SOOJUSJÕUSEADMED
Referaat
Juhendaja: ..........................
Koostas: .............
(Rühm)
Tallinn 2014

SISUKORD

SISUKORD 2
SISSEJUHATUS 2
1.AJALUGU 3
2.SISEPÕLEMISMOOTORITE TÜÜBID JA KLASSIFIKATSIOON 4
3.OTTO RINGPROTSESS 6
4.DIESELI RINGPROTSESS 8
5.STIRLING RINGPROTSESS 10
KOKKUVÕTE 16
KASUTATUD MATERJALID: 17

SISSEJUHATUS

Sisepõlemismootor on kõige levinum soojusmootori liik. Arvatatavalt ligi 80% energiast, mida maailmas toodetakse, saadakse sisepõlemismootoritest. [7]
Soojusmootor on seade, kus soojusenergia muudetakse mehaaniliseks energiaks. Soojusmootorid on aurumasinad, gaasiturbiinid, sisepõlemismootorid ehk kolbmootorid, auruturbiinid, reaktiivmootorid . Töötavaks kehaks on kas vahetult põlemisgaasid või sekundaarne vahesoojuskandja näiteks aur. Soojusenergia saadaks peamiselt orgaanilise kütuse põlemisel. [7]
Üheks soojusjõumasinate tüübiks on kolbmootorid. Kolbmootorite iseärasuseks on soojuse vabanemine (kütuse põlemine ) ja selle muundumine mehaaniliseks tööks vahetult masina silindris . Tingituna sellisest soojuse protsessi viimisest, pole kolbmootorites tarvis ulatuslikke soojusvahetuspindu, mis on vajalikud näiteks auru-jõuseadmetes. Tänu kolbmootorite elementide jahutamisele ja kütuse otsesele põlemisele silindris, võib maksimaalne protsessitemperatuur tunduvalt ületada materjalide mehaanilist tugevust määrava piirtemperatuuri. [7]
Kolbmootorite põhielemendiks on silinder ja kolb , kolvi mehaaniline töö kantakse võllile üle väntmehhanismi kaudu. [3]
Tuntakse nelja- ja kahetaktilise sisepõlemisega kolbmootoreid. Levinum on 4-taktiline mootor, milles toimub järjestikku neli tsükilt: õhu (õhu ja kütuse segu) sisselase silindrisse; selle komprimeerimine; kütuse süttimine, põlemine, põlemisgaasi paisumine ; põlemisgaasi väljalase . Väntvõll teeb mainitud nelja tsükli jooksul kaks pööret. [3]
Kolb mootorid jagunevad omakorda sundsüütega ehk ottomootoriteks või kompressioonist küttesegu süütega ehk diiselmootoriteks. [7]
Sisepõlemismootori on teinud levinuks eelkõige suhteliselt lihtne tööpõhimõte ja ehitus ning hea suhe mootori võimsuse ja kaalu vahel. [7]

AJALUGU

1769 . a võttis James Watt kasutusele esimese töökindla kondensaatoriga varustatud aurumasina;
1807. a ehitas Isaac Rivvaz elementaarse auto aurujõul;
1814. a ehitas George Stephenson esimese auruveduri;
1816. a töötas Robert Stirling välja välispõlemismootori tööpõhimõtte;
1824. a formuleeris Nicolas Léonard Sadi Carnot oma käsitluses aurumasina termilise kasuteguri ηt ja termodünaamilised seosed soojuse ja töö vahel;
1860. a ehitas Jean Joseph Étienne Lenoir esimese gaasi peal töötava sisepõlemismootri;
1862 . a töötas Nikolaus August Otto koos Eugen Langeniga välja atmosfäärilise gaasmasina;
1862. a patendeeris Alphonse Beau de Rochas neljataktilise mootori tööpõhimõtte;
1864. a ehitavad Nikolaus A. Otto ja Eugen Langen esimese mootoreid tootva vabriku ;
1864. a kasutas Siegfried Samuel Marcus oma poolt väljaarendatud sõidukimootoril esmakordselt bensiini ja selle pihustamiseks pöörelva harjaga karburaatorit;
1876. a patenteeris Nikolaus A.Otto 4- taktilise mootori, mis on tänapäevase mootori analoog ;
1880. a ehitas Saksa insener Carl Benz (1844-1929) esimese 2-taktilise statsionaarse gaasimootori;
1882. a patenteeris Rudolf Diesel oma sisepõlemismootori;
1899.a töötas Trinkler välja vedelkütusel töötava mootori;
1902 . a töötasid Gottlob Honold ja Robert Bosch välja kõrgepinge süütesüsteemi ja süüteküünla;
1912. a toodeti Deutzis esimene kütuse sissepritsimisega keeriskambermootor;
1957. a esitles Felix Wankel NSU-s oma esimest rootormootorit. [6], [7]

SISEPÕLEMISMOOTORITE TÜÜBID JA KLASSIFIKATSIOON

Soojusmootor on masin, mis muundab pidevalt soojusenergiat mehaaniliseks tööks. Soojusmootori töö aluseks on termodünaamiline ringprotsess. Soojusenergia mehaaniliseks tööks muundamise iseärasuste põhjal on võimalik eristada järgmisi soojusmootorite tüüpe:
1)kolbmootorid (kogu tööprotsess toimub mootori silindris);
2) turbiinimootorid (protsess toimub järjestikku difuusoris, kompressoris, põlemiskambris, gaasiturbiinis ja reaktiivdüüsis). Turbiinmootorid jagunevad:
a)gaasiturbiinmootorid,
b)turboreaktiivmootorid (turboventilaator- ja turbopropellermootor):
3)reaktiivmootorid(põlemisproduktid paiskuvad reaktiivdüüsis). [5]
Mootorite võrdlusparameetriteks on:

nimivõimsus ,

pöördemoment ,

silindrite arv,

mootori töömaht,

mass ja gabariitmõõtmed,

nimipöörlemissagedus,

kütuse- ja õlikulu,

kasutuskestus,

müra ning kahjulike ainete vallanudmine [5]
Mootori tööprotsessi olulisemad liigitused:

teoreetilise ringprotsessi põhjal:
a) kütuse teoreetiliselt püsivmahulise põlemisega (Otto ringprotsess),
b) Kütuse põlemine toimub teoreetiliselt kas ainult püsival rõhul (Dieseli ringprotsess) või osaliselt ka püsival mahul (Trinkler-Sabathei reingprotsess);

gaasijaotuse korralduse järgi:
a) neljataktilised mootorid,
b) kahetaktilised mootorid;

kasutatava kütuse järgi:
a) gaasimootorid,
b) vedelkütuse mootorid,
c) vedelgaaskütuse mootorid;

küttesegu süütamise mooduse järgi:
a) sundsüütega mootorid,
b) kompressioonsüütega mootorid,
c) kombineeritud süttimisega mootorid;

silindrite laadimise iseloomu järgi:
a) ülelaadimiseta mootorid,
b) ülelaadimisega mootorid;

silindrite arvu ja asetuse järgi:
a) 1 silindrine (1)
b) Ridamootor (2, 3, 4, 5, 6)
c) V-Mootor (2, 4, 6, 8, 10, 12)
d) Boksermootor (2, 4, 6, 8, 12)
e) VR-Mootor (5, 6, 7, 8, 12, 16)
f) W-Mootor (3, 8, 12, 16)
g) Tähtmootor (3, 5, 7, 9, 11)
h) Ridatähtmootor (6*2=12, 4*3=12, 6*4=24, 4*5=20)
i) Mitmesektsiooniline tähtmootor (2*7=14, 2*9=18, 4*7=28)
j) Pöördkolb- ehk Wankelmootor
(Sulgudes on optimaalne silindrite arv tänapäeval)

pöörelmissuuna järgi:
a) parem- või vasakpoolse pöörlemisega mootorid,
b) reverseeritavad ja mittereverseeritavad mootorid;

väntvõlli asetuse järgi silindri telje suhtes:
a) tsentreeritud väntvõlliga mootorid,
b) detsentreeritud väntvõlliga mootorid;

kasutusvaldkonna alusel;

kolvikäigu kiiruse järgi (Cm=2Sn):
a) aeglasekäigulised mootorid (Cm=3.5 ... 6.5 m/s),
b) keskmise kiirusega mootorid (Cm=6.5 ... 9.0 m/s),
c) kiirekäigulised mootorid (Cm=9.0 ... 15.0 m/s);

jahutussüsteemi järgi;

Kolvikäigupikkuse järgi:
a) lühikäiguline mootor (S/D1) [5]

OTTO RINGPROTSESS

Otto ringprotsess on sisepõlemiskolbmootori ringprotsess, mille iseloomulik tunnus on püsimahuline (isohoorne) soojuse suunamine protsessi. Otto ringprotsessi alusel töötavates mootorites põletatakse kergeid vedel- ja gaaskütuseid ( bensiin , petrool, maagaas jt), mis segatuna põlemisõhuga süüdatakse silindirs elektrisädemega. Kütus põleb mootoris niivõrd kiiresti, et mootori kolb selle aja jooksul ei jõua märgatavalt ülemisest surnud seisust kõrvale nihkuda ning see lubabki põlemist käsitleda püsimahulise protsessina. [3]
Otto ringprotsessi termiline kasutegur sõltub mootori surveastmest ja adiabaadi astendajast. Tänapäeva ottomootoris jääb surveaste piiridesse 8-12. Surveastme tõstmist tõkestab kütuse isesüttimistemperatuur ja küttesegu detonatsioonioht. Kui temperatuuri komplimeerimise lõpus ületab kütuse isesüttimistemperatuuri, võib segu süttida isegi juba enne protsessi lõppu. See ei ole kooskõlas mootori tööpõhimõttega ning tagajärjeks on mootori ebakindel töö ja kasuteguri järsk langus. Küttesegu detonatsioonikindlus põlemisel (väljendatakse sageli kütuse oktaanarvuga) sõltub tema omadusest. Antud surveastme korral on tegeliku mootori kasutegur termilisest kasutegurist väiksem mitmel põhjusel : hõõrdenähtuste tõttu on osaprotsessid tagastamatud ning ka mootori klappide ja avade hüdrodünaamiline takistus avaldab mõju. [3]
Neljataktilise mootori iseärasuseks on sisse- ja väljalaskeklapid mootori silindris. Imemistaktil liigub kolb ülemisest surnud seisust alumise surnud seisu poole, sisselaskeklapp (- klapid ) on avatud ja mootori silindrisse imetakse õhku (segu), kusjuures sisselaskeklappide ja kanalite hüdrodünaamilise takistuse tõttu on rõhk imemistaktil atmosfäärirõhust mõnevõrra madalam. Järgneb keha komprimeerimine kolvi liikudes ülemise surnud seisu suunas, kõik klapid on seejuures suletud. Veidi enne kolvi jõudmist ülemisse surnud seisu süüdatakse kütus, millele järgneb intensiivne põlemine ja järsk rõhutõus. Põlemine lõpeb kolvi ülemise surnud seisu piirkonnas. Seejärel põlemisgaasi paisudes rõhk langeb, kuni veidi enne alumist surnud seisu avanevad väljalaskeklapid ja põlemisgaas paiskub silindrist ümbruskeskkonda. Väljumistaktil, kui kolb liigub alumisest surnud seisust ülemise surnud seisu poole, gaasi väljalase lilindrist jätkub, kusjuures gaasi rõhk silindris on atmosfäärirõhust veidi kõrgem väljalaskeklappide ja kanalite hüdrodünaamilise takistuse võrra. [3] (Joonis 1.)
Joonis 1.

DIESELI RINGPROTSESS

Dieseli ringprotsessile on iseloomulik püsirõhuline soojuse sisestamine sisepõlemismootori tööprotsessi. Dieseli ringprotsessi järgi töötavad vähelevinud aeglasekäigulised diiselmootorid. Kui ottomootoris piirab surveastme tõstmist kõrge temperatuur keha komprimeerimiseprotsessi lõpul ja sellega kaasnev kütuse isesüttimine , siis diiselmootori surveaste valitakse just selline, et õhu temperatuur komprimeerimistakti lõpul tõuseks üle kütuse isesüttimistemperatuuri. Säärasesse kuuma keskkonda pritsitakse kütust, järgneb selle isesüttimine ja põlemisoojuse vabanemine. Diiselmootoris põletatakse aeglasemalt põlevaid kütuseid kui ottomootoris, mistõttu võib põlemise mootori silindris lugeda teoreetiliselt isobaarseks protsessiks ja see eeldab põlemise kulgemist üheaegselt kolvi liikumisega alumise surnud seisu poole. [3]
Dieseli ringprotsessi termiline kasutegur sõltub nii mootori surveastmest, isobaarilisest paisumisastmest kui ka adiabaadi astendajast, tõustes mootori surveastme ja adiabaadi astendaja suurenemisel ning isobaarse paisumisastme alanemisel. Kuna diiselmootori surveaste on ottomootori surveastmest kõrgem, on ka diiselmootori kasutegur üldiselt ottomootori kasutegurist suurem. Isobaarne paisumisaste on võrdeline mootori koormusega. Mida suurem on isobaarne paisumisaste, seda kestvam on soouse eraldumine (põlemine) ja kõrgem gaasi temperatuur paisumisprotsessi lõpul, mis põhjustabki mootori termilise kasuteguri alanemise koormuse tõusul. Seetõttu järeldubki, et diiselmootori termiline kasutegur langeb mootori koormuse tõusuga. [3]
1. Sisselaske klapp avaneb ja puhas värske õhk imetakse silindrisse. [8]
2. Kolb tõuseb; õhk surutakse kokku, mis põhjustab temperatuuri tõusu. Lõpuks on kokkusurutub õhk piisavalt kuum, et süüdata kütus. [8]
3. Kolvi ülemises asendis pihustatakse kütus silindrisse. Kütus süttib koheselt kokkupuutel kuuma kokkusurutud õhuga . [8]
4. Kütus süttib, gaasid silindris kuumenevad ja paisuvad , surudes kolbi alla poole. [8]
5. Väljalaske klapid avanevad ja heitgaasid eemaldatakse silindrist. [8]

STIRLING RINGPROTSESS

Stirlingi ringprotsesil toimub kütuse põlemine väljaspool kolbmootori silindrit. Stirlingmootori tööpõhimõte seisneb silindris oleva gaasi isotermsel perioodilisel kuumutamisel ja jahutamisel ning soojuse isohoorsel suunamisel läbi poorse regeneraatori silindri ühest ruumiosast teise. Regeneraatori abil antakse termodünaamilisele kehale soojust või eemaldatakse seda protsessisiseselt. Kui kõrge temperatuuriga gaas läbib regeneraatori, siis gaas jahtub, kuid regeneraator kuumeneb. Regeneraatorisse akumuleeruvat energiat kasutatakse järgmises tsüklis soojuse tagastamiseks (regenereerimiseks) madalama temperatuuriga gaasile. Soojuse suunamine soojusallikalt protsessi ja ka üleandmine jahutisse on isotermsed protsessid. Stirlingmootori tööpõhimõte ja protsessi tsüklid selguvad all toodud joonisltelt. Stirlingmootori põhiosad on kaks liikuvat kolbi silindris ja nende vahel paiknev suure soojusmahtuvusega poorne (gaasi läbilaskev) regeeraator, mis töötab kui perioodiliselt laetav ja tühjenev energiasalvesti. Gaasimassi osatähtsust regeneraatoris toimuvas energiamuundusprotsessis võib eirata. [3]

• Suurem osa süsteemis olevast gaasist surutakse kuuma silindrisse. Gaas kuumeneb ja paisub , surudes mõlemaid kolbe sissepoole. [9]
  

• Gaas paisub; väntvõll liigub 90o tõmmates kuuma gaasi külma silindrisse. [9]
  
• Suurem osa paisunud gaasist on liikunud külma silindrisse. See jaheneb ja tõmbub kokku, surudes mõlemaid kolbe väljapoole. [9]
  

• Kokku tõmbunud gaas, mis on külmas silindris, surutakse väntvõlli abil kuuma silindrisse. [9]
  

VANKEL’I RINGPROTSESS
Vankelmootor on sisepõlemismootor. Selle peamine erinevus seisneb selles, et kui tavaline silindritega mootoris kolvid käivad ülesse-alla, siis vankelmootoris rootor pöörleb (ja lisaks orbiidleb). Silindermootoris toimub iga töötsükkel eralid, järgnedes üksteisele, vankelmootoris, aga toimuvad töötsükklid samaaegselt. Sisendfaasis on kambri ruumala algul väga väike. Siis see suureneb ja imeb kütuse silindrisse. Rootor pöörlemisega surub kokku küttesegu ja plahvatav kütus paneb ta edasi pöörlema. Kui küttesegu jõuab süüteküünaldeni, on selle ruumala jõudnud umbes miinimumini. See ongi peamine töötakt – segu põleb ja surub rootorit, keerates seega iseennast mootorist välja. Töötsükkel on tal neljaosaline - imemine, surumine , süütamine ja väljastamine. Vankelmootoril on kaks süüteküünalt kütuse segu ühtlasemaks põlemiseks, sest põlemiskamber on pikk ja peenike. Väljastamisauk on otse ühendatud summutiga. Lisaks puuduvad vankelmootoril klapid. [1]

• Kütuse ja õhu segu sisenevad mootorisse. [2]
  
• Kütusesegu surutakse kokku. [2]
  

• Kütuse segu süüdatakse ning rootor hakkab liikuma. [2]
  
• Heitgaasid väljuvad mootoris. [2]
  

7. TRINKLER-SABATHE RINGPROTSESS
Trinkler-Sabathe ringprotsess ehk segaringprotsess on Otto ja Dieseli ringprotsessi kombinatsioon. Selle järgi töötavad kiirekäigulised mootorid, mida nimetatakse samuti diiselmootoriteks ja mis on viimaste hulgas levinumad. Trinkler-Sabathe ringprotsessis, nagu Dieseli ringprotsessiski, toimub kütuse süttimine isesüttimise teel. Kütus pritsitakse kõrgrõhu pumpadega eelpõlemiskambrisse. Tänu sellele põleb kütus esialgu isohooriliselt ning sellele järgnevalt isobaariliselt (põlemine kandub eelpõlemiskambrist mootori silindrisse). Trinkler-Sabathe ringprotsessil töötavates mootorites kasutatakse samu kütuseid, mis kompressor -diiselmootoriteski. [3]
Trinkler-Sabathe ringprotsessi termiline kasutegur sõltub mootori surveastmest, isohoorilisest rõhutõusuastmest, isobaarsest paisumisastmest ning adiabaadi astendajast, kasvades mootori surveastme, isohoorse rõhutõusuastme ja adiabaadi astendaja suurenemisel ning isobaarse paisumisastme alanemisel. [3]

KOKKUVÕTE

Kolbmootorite ringprotsesside suhteline efektiivsus sõltub konkreetsetest võrdlustingimustest.
Võttes võrdluse aluseks võrdsed ringprotsessist eemalduvad soojushulgad ja kompressiooniastmed, osutub kõige efektiivsemaks ringprotsessiks Otto ringprotsess ning kõige madalamat termilist kasutegurit omavaks ringprotsessiks Dieseli ringprotsess. Samas kolbmootorite ringprotsesside võrdlemine võrdsete surveastmete juures ei vasta mootori tegelikele töötingimustele, sest diiselmootorites kasutatakse tunduvalt kõrgemaid surveastmeid kui kütuse isohoorilise põlemisega mootorites. Seetõttu on õigem valida kolbmootorite ringprotsesside võrdluse aluseks erinevad kompressiooniastmed sama protsessist eemaldatava soojushulga ja sama maksimaalse rõhu juures. Selgub , et kõige suurem termiline kasutegur on Diesel mootoril, madalaim aga Otto mootoril. [4]
Kolbmootorite ringprotsesside võrdluses või lõpuks järeldada, et kõige suurem termiline kasutegur on Diesel mootoril, kui valitakse võrdelmiseks mootoritele ettenähtud kompressiooniastmed sama protsessist eemeldatava soojushulga ja sama maksimaalse rõhu juures.

KASUTATUD MATERJALID:

[1] http://www.hot.ee/brainless/wankel.html
[2] http://www.animatedengines.com/wankel.html
[3] A. Hlebnikov „Kolbmootorite ringprotsessid“
[4] staff.ttu.ee/~asiirde/...termo/Kolbootorite_termodynaamika-Loeng2.doc
[5] http://www.eava.ee/opiobjektid/mkl/teooria08/siseplemismootorite_tbid_ja _ klassifikatsioon .html
[6] http://www.eava.ee/opiobjektid/mkl/teooria08/ajaloost.html
[7] A. Hlebnikov „Ylevaade_mootoritese_ajaloost_Loeng1“
[8] http://www.animatedengines.com/diesel.html
[9] http://www.animatedengines.com/vstirling.html