PAGE 18

1.Constructia si functionarea motorului in patru timpi

Figura 1 prezinta schema constructiva a unui motor in patru timpi.

In cilindrul 1 se deplaseaza pistonul 2 antrenat prin intermediul bielei 3 de la manivela 4 a arborelui cotit.Chiulasa 5 asezata in capul cilindrului, contine orificiul pentru supapa de admisie S.A. si supapa de evacuare S.E., precum si orificiul 6 pentru bujie (MAS) sau injector (MAC). Incarcatura proaspata din colectorul de admisie 7, patrunde in cilindru prin canalul de admisie si poarta supapei de evacuare 10, canalul de evacuare 11 si colectorul de evacuare 12. La partea inferioara a cilindrului si partea inferioara a carterului 15 se formeaza baia de ulei.

Functionarea unui astfel de motor, cu aprindere prin scanteie si umplere normala, poate fi urmarita concomitent pe shema motorului si in diagrama 1 b.

Amestecul carburant din colectorul de admisie patrunde in cilindru prin canalul de admisie si poarta supapei de admisie, din momentul in care, in cursa de admisie (a-b), presiunea gazelor arse ramase in cilindru (gaze reziduale) scade sub cea exterioara, p0.

Pentru aceasta supapa de admisie trebuie deschisa cu un oarecare avans (punctul d.s.a) pentru a putea oferi atunci cand amestecul carburant ajunge la sectiunea maxima de deschidere. Inchiderea acestei supape se realizeaza cu o oarecare intarziere ( punctul i.s.a) in momentul in care presiunea gazelor din cilindru atinge valoarea celei din exterior. In acest moment in cilindru este inchisa o anumita cantitate de gaze provenita prin amestecarea incarcaturii proaspete (amestecul carburant) cu gazele reziduale.Acest amestec este numit initial.

Procesul de comprimare (b-c)a amestecului initial incepe in momentul terminarii admisiei si se termina in momentul inceputului arderii (punctul A).Arderea se desfasoara vizibil cu cresterea puternica a presiunii (A-c-z).Destinderea gazelor arse (g-d) are loc pana in momentul deschiderii supapei de evacuare (punctul d.s.e) care se face inainte de sfarsitul cursei pentru o evacuare mai rapida a gazelor arse din cilindru (supapa de evacuare sa ofere o deschidere maxima ). Inchiderea acestei supape (punctul i.s.e) se face dupa o cat mai completa evacuare a gazelor arse din cilindru si are loc dupa terminarea cursei, cu toate ca presiunea gazelor din cilindru scade sub presiunea p0, deoarece trebuie folosit efectul inertional al coloanei gazelor ce se evacueaza.Volumul minim ocupat de gazele din cilindru se numeste volumul camerei de ardere sau de comprimare V0, pozitia corespunzatoare fiind P.M.I.Volumul maxim al cilindrului ocupat de gaze se numeste volumul total al cilindrului Va, pozitia pistonului fiind P.M.E.

Volumul descris de piston in cursa s, intre punctele moarte se numeste cilindree sau capacitate cilindrica Vs.

Suma cilindreelor tuturor cilindrilor (cand motorul este policilindric) constittue cilindreea totala sau litrajul.

unde i este numarul de cilindri identici ai motorului.

Raportul dintre volumul maxim al cilindrului si cel minim Va/V0= se numeste raport de comprimare.2.Constructia si functionarea motorului in doi timpiIn figura 2 (a si b) sunt reprezentate schema elementara a unui motor in doi timpi cu umplere fortata si ciclul sau functional in diagrama p-V.

La acest motor amestecul carburant este introdus in cilindru, din colectorul de baleiaj, prin luminile ( ferestrele) de baleiaj sau umplere l.b, la o presiune psf superioara celei exterioare. Presiunea de baleiaj superioara celei atmosferice p0 se creeaza de obicei, printr-o comprimare in carter de catre piston in cursa descendenta, carterul trebuind sa fie etans. Gazele arse sunt eliminate din cilindru prin luminile (ferestrele) de evacuare l.e. Incarcatura proaspata ajunge la carter prin luminile de intrare sau primire l.p.Deschiderea si inchiderea luminilor este comandata de catre piston.

Din momentul in care luminile de evacuare sunt acoperite de catre piston in cursa ascendenta (punctul i.l.e) incepe procesul de comprimare a amestecului initial. Dupa aprindere (punctul A), incepe arderea vizibila in diagrama prin crestera insemnata a presiunii gazelor (A-c-z). Destinderea gazelor arse dureazan pana cand pistonul descopera luminile de evacuare (punctul d.l.e). Presiunea gaazelor din cilindru scade mult mai pronuntat ca urmare a evacuarii libere a gazelor in exterior. In momentul in care presiunea gazelor din cilindru devine egala cu cea la care a fost precomprimata incarcatura proaspata, psf, pistonul descopera luminile de baleiaj (punctul d.l.b). La deschiderea luminilor de baleiaj, presiunea din cilindru la inceput scade datorita maririi volumului cilindrului, dar se observa si o tendinta contrara de crestere a presiunii datorita introducerii incarcaturii proaspete mai mare decat cea din cilindru, tendinta care devine predominanta, facand predominanta, facand ca presiunea in cilindru sa creasca pana la sfarsitul cursei (punctul a).Cand pistonul urca din nou, presiunea creste in continuare in cilindru, dar apropiindu-se de inchiderea luminilor de baleiaj (punctul i.l.b), incarcatura proaspata la presiune ridicata intra foarte putina si in schimb face ca presiunea sa scada pana in momentul inchiderii luminilor de evacuare (punctul i.l.e).Din cursa s a pistonului, numai fractiunea su , este efectiv folosita, pentru comprimare si destindere, restul servind la admisie si evacuare. Corespunzator, raportul de comprimare real (util) devine:

EMBED Equation.3 Diagramele p-V, trasate in figurile 1 b si 2 b se numesc diagrame reale sau indicate.

3.Ciclurile teoretice ale motoarelor cu ardere interna cu pistonFenomenele reale, care au loc in timpul functionarii motoarelor cu ardere interna cu piston, sunt complexe daca se tine seama de modificarea atat a starii, cat si a compozitiei chimice a fluidului motor, de schimbul variabil de caldura intre fluidul din cilindru si peretii acestuia, de existenta frecarilor, de schimbarile de directie si de viteza ale fluidului, de fazele de ardere etc.Cu scopul de studia influenta tuturor acestor factori asupra economicitatii motorului s-au admis anumite ipoteze simplificatoare privind functionarea motorului si comportarea fluidului de lucru, adica s-au conceput anumite cicluri teoretice de referinta, in asa fel incat parametrii acestora sa poata fi determinati prin calcul. Dintre aceste ipoteze cele mai importante ar fi:

Motorul functioneaza cu un gaz perfect, asemanator aerului;

Caldurile specifice cv si cp sunt constante;

Cilindrul contine in tot cursul ciclului o cantitate de fluid constanta si cu aceeasi compozitie chimica;

Producerea de caldura prin ardere este considerata ca o introducere de caldura din exterior, iar cedarea de caldura prin evacuarea gazelor arse se considera ca o racire cu o sursa rece;

Se presupune ca procesele de comprimare si de destindere sunt adiabate.

Ciclul teoretic reprezinta deci, o schema termodinamica simplificata a ciclului de functionare a motorului, servind drept termen de comparatie pentru motoarele reale, in scopul aprecierii gradului de perfectiune al proceselor reale de lucru si a evidentierii mijloacelor necesare pentru imbunatatirea functionarii motoarelor si a cresterii randamentelor proceselor ciclice.

Alegand drept criteriu natura transformarii prin care se poate introduce caldura in ciclul motor, ciclurile teoretice se impart in trei grupe:a). Ciclul cu ardere la volum constant (izocora), caracteristic motoarelor cu aprindere prin scanteie MAS (fig.3 a);

b). Ciclul cu ardere la presiune constanta (izobara), caracteristic motoarelor cu aprindere prin comprimare MAC lente (fig. 3b);

c). Ciclul cu ardere mixta (izocora si izobara), caracteristic motoarelor cu aprindere prin comprimare MAC rapide (fig. 3c).

Ciclurile figurate sunt corespunzatoare motoarelor in patru timpi si sunt compuse din urmatoarele transformari:

Admisia izobara 0-1;

Comprimarea adiabata 1-2;

Arderea 2-3; izocora sau izobara la ciclurile din figurile a si b si izocora si izobara 2-3, 3-4, la ciclul din figura c;

Destinderea adiabata 3-4 , la ciclurile din figurile a si b si adiabata 4-5 la ciclul din figura c;

Evacuare libera izocora 4-1 la ciclurile din figurile a si b si izocora 4-5 la ciclul din figura c;

Evacuarea izobara fortata 1-0.

3.1.Ciclul teoretic al motorului cu ardere la volum constantParametrii caracteristici si acestui ciclu (fig. 3 a) sunt:

Raportul de comprimare:

Raportul de crestere al presiunii in timpul arderii la volum constant:

Randamentul termic al acestui ciclu se poate determina cu formula generala:

in care Q este caldura primita de la sursa calda, iar cea cedata sursei reci (luata in valoare absoluta, deorece conform conventiei de semne este negativa).Pentru ciclul dat va fii:

Exprimand cantitatile de caldura ce apar in relatie, dupa formule corespunzatoare unor schimburi de caldura ce apar in timpul unor transformari izocore se obtine:

;

sau

Inlocuind aceste relatii in expresia randamentului termic rezulta:

Temperaturile se pot determina din transformarile ce compun ciclul, in functie de temperatura T1 astfel :

Din adiabata 1-2

sau ;

Din izocora 2-3

si

Din adiabata 3-4

sau

Prin inlocuirea temperaturilor, date de relatiile anteriore in expresia randamentului se obtine:

Lucrul mecanic produs de motor L, este diferenta dintre cantitatea de caldura introdusa in ciclu Q2-3 si cea evacuata Q4-1, adica este echivalentul cantitatii de caldura care se transforma:

sau tinand seama de expresiile caldurii rezulta:

Volumul V1 se poate exprima in functie de cilindree Vs si de raportul de comprimare din sistemul de relatii:

obtinandu-se : si deci lucrul mecanic va fi :

3.2.Ciclul teoretic al motorului cu ardere la presiune constantaMarimile caracteristice ale acestui ciclu (3 b ) sunt :

Raportul de comprimare:

Raportul de injectie:

Randamentul termic al acestui ciclu se poate determina cu formula generala:

in care Q este caldura primita de la sursa calda, iar cea cedata sursei reci (luata in valoare absoluta, deorece conform conventiei de semne este negativa).

Pentru ciclul dat va fii:

Exprimand cantitatile de caldura ce apar in relatie, dupa formule corespunzatoare unor schimburi de caldura ce apar in timpul unor transformari izocore se obtine:

;

sau

Deci randamentul termic va fi :

, k fiind exponentul adiabatic.

Exprimarea temperaturilor, ce apar in relatia randamentului se face in mod analog cu ciclul motorului cu ardere la volum constant, astfel:

Din adiabata 1-2

sau ;

Din izobara 2-3

si

Din adiabata 3-4

sau

Inlocuind valorile astfel gasite se obtine urmatoarea expresie pentru randamentul termic:

Lucrul mecanic produs de un motor ce functioneaza dupa un astfel de ciclu este:

3.3 Ciclul teoretic al motorului cu ardere mixta

Pentru acest ciclu teoretic (fig. 3 c) se pot defini urmatorii parametrii caracteristici: Raportul de comprimare:

Raportul de crestere al presiunii in timpul arderii la volum constant:

Raportul de injectie:

Randamentul termic al acestui ciclu se poate determina cu formula generala:

Exprimand cantitatile de caldura, ce apar in relatia anterioara, dupa relatiile corepsunzatoare unor schimburi de caldura ale unor transformari izocore (Q2-3 si Q5-1) si respectiv izobare (Q3-4) se obtine:

;

;

;

Inlocuind in relatiile de mai sus rezulta:

sau facand simplificarile si impartind cu cv:

Temperaturile, din punctele caracteristice ale ciclului, determinate in functie de temperatura T1 sunt : Din adiabata 1-2

sau ;

Din izocora 2-3

si

Din izobara 3-4

si

Din adiabata 4-5:

sau

Prin inlocuirea temperaturilor date de relatiile anterioare in relatia randamentului rezulta:

Facand simplificarile se obtine in final:

Particularizand aceasta expresie pentru (=1);(V4=V3), obtinem randamentul termic al ciclului cu ardere la volum constant :

,

iar pentru =1 (p3=p2), randamentul termic al ciclului cu ardere la presiune constanta:

Ultimele trei relatii indica cresterea randamentului termic odata cu marimea raportului de comprimare .Comparand expresiile randamentelor termice pentru ciclul cu ardere la volum constant si la presiune constanta, rezulta ca ele difera numai prin factorul supraunitar:

In consecinta, la acelasi raport de compresie , randamentul ciclului cu ardere la volum constant este mai mare decat ak celui cu ardere la presiune constanta.

In practica insa, randamentul ciclului motoarelor cu ardere la presiune constanta este mai mare decat al celor la volum constant, deoarece la motoarele cu aprindere prin comprimare MAC, se comprima numai aer, putand fi adoptate rapoarte de compresie mai mari (=14.....20), limitate numai de solicitarile mecanice ale motoarelor si de cresterea frecarilor mecanice.

La motoarele cu aprindere prin scanteie MAS, cresterea raportului de comprimare este limitata (=6...10) de aparitia fenomenului de detonatie, care este o ardere anormala insotita de o serie de fenomene ca: prezenta unor socuri (batai) in cilindru, micsoararea randamentului si puterii mototrului, cresterea cantitatii de caldura degajata prin peretii cilincrului (ceea ce duce la o incalzire puternica a pistoanelor si a supapelor de evacuare), cresterea presiunii gazelor din cilindru.Una din cauzele aparitiei fenomenului de detonatie este natura combustibilului utilizat si anume natura hidrocarburilor continute si structura moleculara a componentilor combustibilului.

Metoda folosita pentru incercarea combustibilului la o detonatie este adaptata pentru: Motoare cu turatie redusa cu cifra cetanica intre 35 si 40;

Motoare cu turatie intre 1000 si 1500 rot/min intre 40 si 45;

Motoare cu turatie mai mare de 1500 rot/min, intre 45 si 60.Cetenul fiind scump si instabil, in locul lui s-a ales cetanul C16H34 in amestec cu monocetilnaftalina C11H10. Indicele sau cifra cetanica poate varia intre 0 si 100. Aproximativ:

cifra cetenica=cifra cetanica

Coborarea temperaturii de autoaprindere se poate face cu aditivi de tipul cu compusilor cu azot (azotati, azotiti) precum si compusi peroxidici.

3.5. Parametrii ciclului de functionareLucrul mecanic motor al cilcului este reprezentat de bucla mare a ciclului din diagrama indicata a motorului ( A-c-z-d-f-a in fig 1. si A-c-z-f-A in fig.2). Raportand acest lucru mecanic la cilindreea Vs, se obtine lucrul mecanic specific (produs pe unitatea de cilindree) sau presiunea medie indicata, care este o marime caracteristica a ciclului:

Cum pentru o turatie data n [rot/min] numarul de cicluri efectuate intr-o secunda este :

[cicluri/s]

in care este numarul de timpi ai ciclului functional al motorului (=4 pentru motorul in patru timpi si =2 pentru motorul in doi timpi), se observa ca puterea indicata, reala a cilindrului este:

[m]

in care t este timpul in care se efectueaza un ciclu egal cu :

[s]Inlocuind in relatia puterii se obtine urmatoarea relatie:

[W]

Pentru un motor cu i cilindrii identici:

[W]Functionarea motorului pretinde consumarea unei energii necesare acoperirii diferitelor pierderi proprii motorului.

Toate aceste pierderi se apreciaza prin intermediul randamentului mecanic :

,unde Po este puterea efectiva a motorului disponibila la arborele sau cotit, iar Pe este presiunea medie efectiva, adica lucrul mecanic motor specific disponibil la arborele cotit.

Rezulta ca puterea efectiva a motorului poate fi exprimata prin relatia:

[W]

sau, tinand seama de relatia de mai sus:

[W]3.6.Caracteristicile motoarelor cu ardere interna

Prin caracteristici ale motoarelor cu ardere interna se inteleg reprezentarile grafice ale variatiilor unor marimi si indicii caracteristici ai motoarelor (ca de exemplu puterea, momentul motor, randamentul termic, consumul specific, etc.), in functie de un anumit factor principal (ca de exemplu sarcina, turatie etc.), considerat ca variabila independenta. Caracteristicile se determina experimental. La proiectare se pot calcula, cu aproximatia corespunzatoare, unele din caracteristicile motorului.

Cele mai importante sunt caracteristicile de sarcina, in care variabila independenta este turatia pastrandu-se constanta sarcina sau incarcarea motorului, cu ajutorul unor frane, prezentate in figura de mai jos.

Se obvserva ca la motoarele cu aprindere prin scanteie puterea trece printr-un maxim , iar turatia corespunzatoare se numeste turatia de putere maxima (np). Daca n creste in continuare (n>np) pueterea efectiva incepe sa scada.

Turatia la care are loc valoarea maxima a momentului motor se numeste turatie de moment maxim nM. Aceasta alura de variatie a momentului motor este foarte putin convenabila pentru motorul de tractiune, care cere o crstere raprida a momentului motor la reducerea turatiei pentru ca functionarea motorului sa fie stabila. Transmisiile speciale ce echipeaza automobilele si tractoarele permit modificarea caracteristicii de moment in concordanta cu cerintele tractiunii. De aceea cresterea momentului motor de la turatia np () la turatia nM (Memax) constituie si un indice de performanta al motorului, care se numeste coeficient de adaptabilitate la tractiune:

,

deoarece exprima gradul de adaptabilitate al motorului la cerintele inaintarii autovehiculului. Cu cat este mai mare capacitatea motorului de a invinge rezistentele suplimentare este mai mare. La MAS, =1.15......1.4.

Turatia nM limiteaza domeniul stabil de functionare a motorului pe caracteristica de turatie, deoarece functionarea motorului pe partea ascendenta a curbei Me este instabila (daca incarcarea motorului creste, la turatia n