MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE. CONSTRUCŢIE, CARACTERISTICI, PROCESE

7/29/2019 MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCNTEIE. CONSTRUCIE, CARACTERISTICI, PROCESE

1/20

1.MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCNTEIE. CONSTRUCIE, CARACTERISTICI, PROCESE

11

1MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCNTEIE.

CONSTRUCIE, CARACTERISTICI, PROCESE

1.1 NOIUNI SPECIFICE

Motorul cu aprindere prin scnteie cu piston este un motor termic n care energiachimic a combustibilului se transform parial, prin ardere n interiorul cilindrilor, nlucru mecanic cedat pistoanelor n micare alternativ. Micarea alternativ apistoanelor este transformat n micare de rotaie a arborelui cotit prin intermediulmecanismului biel-manivel.

Procesele din motor se repet n mod ciclic. Succesiunea proceselor care se repetperiodic n fiecare cilindru formeaz ciclul motor. La motoarele n patru timpi un ciclumotor se efectueaz n patru curse ale pistonului, respectiv n dou rotaii ale arboreluicotit. n figura 1.1 se prezint funcionarea motorului cu aprindere prin scnteie npatru timpi.

Figura 1.1a) admisie; b) compresiei aprindere; c) arderei destindere; d) evacuare

a c d


2/20

ELECTRONIC PENTRU AUTOMOBILE

12

Asigurarea funcionrii continue a motorului, n sensul relurii proceselor ciclice,impune schimbarea gazelor din cilindrii si. Astfel, dup ce gazele au cedat prindestindere, n urma proceselor de ardere, lucru mecanic pistonului, se efectueazgolirea gazelorarse din cilindru. Golirea se execut n procesul de evacuare. Reluareafuncionrii motorului impune umplerea cu ncrctur proaspt, necesar cicluluiurmtor, umplerea fiind realizat n procesul de admisie.

Pentru a se obine lucru mecanic, amestecul carburant trebuie s ard, iniiereaprocesului de ardere fiind obinut prin aprindere. Amestecul carburant poate fi aprinsn diferite procedee, ceea ce conduce la o difereniere pregnant a tipurilor de motoare.Astfel, la motorul cu aprindere prin scnteie, aprinderea se realizeaz prin producereaunei scntei, la momentul oportun, n amestecul carburant. Motorul cu aprindere prinscnteie se mai poate numi cu aprindere forat sau comandat. Formarea amesteculuicarburant la motorul cu aprindere prin scnteie se poate realiza att n exteriorulcilindrului (carburator, injecie indirect), ct i n interiorul acestuia (injecie direct).

Procesele de aprindere i de ardere sunt puternic dependente de cantitile de aeride combustibil ce particip la formarea amestecului carburant. Proprietile lor namestec sunt descrise pe baza unui criteriu numit dozaj. Dozajul poate fi apreciat ndiferite moduri. Astfel, raportul dintre cantitatea de combustibil i cea de aer senumete coeficient de dozaj:

d = Gcomb/Gaer.

Funcie de proporia celor dou componente n amestec pot fi deosebite trei situaiidistincte. Atunci cnd cantitii de combustibil, Gcomb, i corespunde cantitatea strictnecesar de aer pentru arderea complet teoretic, dozajul se numete teoretic sau

stoichiometric. n cazul n care cantitatea de combustibil este n exces fa de cazulprecedent, dozajul se numete bogat, iar dac cantitatea de combustibil este mai mic,dozajul se numete srac. Arderea teroretic a 1 kg de combustibil necesit 15 kg deaer, rezultnd valoarea coeficientului de dozaj stoichiometric:

dt= 1/15 = 0.0666.

Pentru facilitarea scrierii se prefer utilizarea inversului coeficientului de dozaj:

d'= 1/d = Gaer/Gcomb.

n acest mod dozajul teoretic este precizat de valoarea:

d't= 15/1 = 15.


3/20


13

Modul de prezentare a dozajului prin intermediul acestor doi coeficieni aredezavantajul c nu precizeaz n mod direct calitatea amestecului: bogat sau srac imai ales ct de bogat sau ct de srac este raportat la cel teoretic. Pentru aceasta s-aintrodus coeficientul de mbogire, care raporteaz valorile coeficientului de dozaj alamestecului la valoarea coeficientului de dozaj teoretic dt:

= (d/dt)100 [%].

Pentru a permite unificarea modului de exprimare i de calcul la aprecierea calitiiamestecului se folosete coeficientul de exces de aer. Acesta exprim raportul dintrecantitatea de aer de care dispune 1 kg de combustibil, Gaer, i cantitatea de aer necesarpentru arderea teoretic a acestei cantiti de combustibil, Gaert:

= Gaer/Gaert

Pentru descrierea proceselor ce au loc n timpul funcionrii motorului se introducanumite elemente geometrice, de volum sau poziie. Astfel, volumul minim ocupat degazele din cilindru se numete volumul camerei de ardere sau de comprimare, Vc, iarpoziia corespunztoare a pistonului poart denumirea de punct mort interior (p.m.i.).Volumul maxim al cilindrului ocupat de gaze se numete volumul total al cilindrului,Va, poziia corespunztoare a pistonului fiind punctul mort exterior (p.m.e.). Cilindreeasau capacitatea cilindric Vs a motorului reprezint volumul descris de piston n cursasa, ntre cele dou puncte moarte.

Cilindreea total sau litrajul este reprezentat de suma cilindreelor tuturorcilindrilor unui motor:

Vt= iVs ,

unde i este numrul de cilindri identici ai motorului.Raportul dintre volumul maxim al cilindrului i cel minim

Va/Vc =

se numete raport de comprimare (geometric sau volumetric).ncrcarea motorului este apreciat prin sarcina motorului. Acest parametru

exprim gradul de ncrcare a motorului, la o anumit turaie, raportat la o ncrcare dereferin. Sarcina se poate aprecia prin coeficientul de sarcin:

= Pe/Pe cont


4/20


14

adic, prin raportul dintre puterea efectiv dezvoltat de motor i puterea efectivcontinu a motorului la aceeai turaie. Pe baza coeficientului de sarcin pot fideterminate urmtoarele situaii:

= 0 sarcin nul;0 < < 1 sarcini pariale;= 1 sarcin plin;1 < < cca 1,1 suprasarcin;= cca 1,1 sarcin total.

Pe baza valorilor factorilor i parametrilor funcionali, n primul rnd turaie isarcin, poate fi precizat regimul funcionalal motorului. Cnd valorile acestor factorinu variaz n timp, motorul este n regim stabilizat. Trecerea de la un regim stabilizatla altul se face ntr-un anumit interval de timp, n care motorul parcurge un regimtranzitoriu. n stabilizarea unui regim funcional apar diferii factori ce dicteaz oanumit durat a proceselor tranzitorii. Regimul termic al motorului (starea detemperaturi ale pieselor sale) are cea mai mare durat necesar pentru atingereanivelului corespunztor invariabil dintre toi factorii care precizeaz regimulfuncional.

Prin modul de serviciu al motorului se nelege modul de utilizare n timp alacestuia.

1.2 FUNCIONAREA MOTORULUI N PATRU TIMPI

Pentru a urmri principalele procese ce au loc n timpul funcionrii unui motor n

patru timpi cu aspiraie, n figura 1.2 sunt reprezentate schema sa elementari ciclulsu funcional. Timpii de lucru rezulti din figura 1.1.ncrctura proaspat din colectorul de admisie ptrunde prin canalul de admisie

i poarta supapei de admisie n cilindru. Momentul de nceput al acestei faze apareatunci cnd presiunea gazelor arse rmase n cilindru (gaze reziduale) scade sub ceaexterioar, p0. Avnd n vedere procesele de dinamic a curgerii fluidelor, supapa deadmisie trebuie deschis cu un oarecare avans (d.s.a.) (fa de p.m.i.), iar nchidereaacestei supape se realizeaz cu o oarecare ntrziere (.s.a.) (fa de p.m.e.), nmomentul n care presiunea gazelor din cilindru atinge valoarea celei din exterior. Lasfritul acestei perioade, n cilindru este nchis o anumit cantitate de gaze, provenitprin amestecarea ncrcturii proaspete aspirat cu gazele reziduale. Acest amestec estenumit iniial. Din momentul terminrii admisiei ncepe procesul de comprimare aamestecului iniial. Comprimarea se termin n momentul nceputului arderii.

Procesul de ardere se desfoar n paralel cu creterea puternic a presiunii. Areloc destinderea gazelor arse (amestecul final), pn n momentul deschiderii supapei de


5/20


15

evacuare (d.s.e.). nchiderea acestei supape (.s.e.) se face dup criteriul unei evacurict mai complete a gazelor arse din cilindru.Pe durata acestor procese se efectueaz un anumit lucru mecanic. Pentru un ciclu,

lucrul mecanic motorare valoarea Lr. Raportnd acest lucru mecanic la cilindreea Vs seobine lucrul mecanic specific (produs de unitatea de cilindree) sau presiunea medieindicat. Aceasta este o mrime caracteristic a ciclului.

Cantitatea de combustibil consumat de motor n unitatea de timp se numeteconsum de combustibil. Pentru aprecierea performanelor motorului intereseaz nspecial consumul orar de combustibil, Ce.

Raportul dintre consumul de combustibil i puterea indicat real se numete

consum specific indicat real de combustibil, iar raportul fa de puterea efectiv senumete consum specific efectiv de combustibil.

Figura 1.2

colector de admisie(ncrctur proaspt)

biel

piston

cilindru

manivel

colector deevacuare

(gaze arse)

supapa deadmisie

poarta

supapei

supapa deevacuare

pmi pme

pmi pme

S

dse

seVS

z

dsasa

p

g

VC

V

Va

f

c

A


6/20


16

1.3 CTEVA ASPECTE ALE UMPLERIIAa dup cum s-a artat, momentele de nchidere i deschidere ale supapelor de

admisie i evacuare sunt alese n ideea asigurrii unei ct mai bune schimbri agazelor.

n figura 1.3 se prezint n detaliu modul de alegere pentru momentele deacionare a supapelor.

Avansurile la deschiderea i ntrzierile la nchiderea supapelor pot fi precizate fieprin distanele pistonului fa de punctul mort cel mai apropiat n momentul respectiv(d.s.e.; d.s.a.; .s.e.; .s.a.), fie prin unghiurile dintre maniveli axa longitudinal acilindrului n aceleai momente. Rezulti valorile n unghiuri de rotaie ale arboreluicotit ale deschiderii supapelor (eia), precum i valoarea unghiular a suprapuneriideschiderii supapelor (s = d.s.a. + .s.e.).

Reprezentarea grafic a ridicrii h a supapelor sau a seciunii lor de trecere f n

funcie de unghiul de rotaie al arborelui cotit se numete epura fazelor distribuieiise prezint n figura 1.4

Epura plasrii camelor care comand cele dou supape este prezentat n figura1.5. Aceast epur se obine innd seama de valorile fazelor distribuiei, de ordinea de

Figura 1.3

Figura 1.4

dse dsa se

sa

h

f

pmi pmepme

ae

s

p

V

dse

dsa

se

sa

pmipme

n

a

dse dsa

se sa

e

sse

dsa

sa

dse

n

se

dsa

sa

dse


7/20


17

comand a supapelor n ciclu, precum i de faptul c turaia axului cu came estejumtate din cea a arborelui cotit.mbuntirea substanial a umplerii, ca o cale important de ameliorare a

performanelor motorului, justific necesitatea realizrii unor avansuri la deschiderea intrzieri la nchiderea supapelor. n acest fel apare posibilitatea mririi duratei n caresupapa este n micare, asigurnd avantaje substaniale n cinematica i dinamicasistemului de distribuie.

Asupra umplerii acioneaz un complex de factori, care pot fi grupai astfel: Factori de stare:

presiunea iniial temperatura iniial; dozajul ncrcturii proaspete; umiditatea ncrcturii proaspete;

cantitatea de gaze reziduale; turbulena. Factori funcionali:

turaia motorului; sarcina; regimul termic al motorului. Factori constructivi:

raportul de comprimare; mrimea cilindrului; fazele distribuiei; rezistenele sistemului de admisie.

Cunoaterea factorilor, att individual, dar mai ales n interdependenele lor

complexe permite o proiectare mai bun a motoarelor, cu creterea corespunztoare aperformanelor de putere i consum.Aprecierea calitii umplerii este dat de coeficientul de umplerev = C/C0, n care

Ceste cantitatea (greutatea) de ncrctur proaspt care intr n realitate n cilindru,iarC0 este cantitatea de ncrctur proaspt reinut n cilindru n condiii de referin(p0, T0, Vs).

Punerea n valoare, n sensul optimizrii umplerii, a factorilor de stare ifuncionali se realizeaz pe seama factorilor constructivi. Una din cile cele maiimportante de mbuntire a umplerii este reducerea rezistenei sistemului de admisie.

La motorul cu aprindere prin scnteie cu formarea amestecului n exterior i cucombustibil lichid, problema valorii seciunilor transversale din circuitul de admisiecapt un aspect complex. n acest caz, n colectorul de admisie este transportat unamestec de aer cu multe picturi de combustibil lichid, de dimensiuni extrem de

variate. Pn la vaporizarea lor complet, aceste picturi trebuie susinute n curentulde aer. n acest fel se evit cderea lor pe perete, unde ar forma o pelicul de

Figura 1.5

n/2

se/ 2

SASE

dsa/ 2

sa/ 2dse/ 2

s/2


8/20


18

combustibil. Curgerea aerului antreneaz combustibilul din pelicul spre supapa deadmisie, prin care se strecoar, la deschiderea acesteia, n cilindru. Fenomenul poateprovoca efecte nedorite. Astfel, la prenclziri nepotrivite ale colectorului de admisie,fraciunile grele din pelicula lichid pot suferi transformri chimice care au ca rezultatformarea de gume. Aceste gume obtureaz colectorul i poarta supapei, nrutindumplerea. Precipitarea picturilor are loc cu precdere la devierile curentului deamestec, precum i la creterile brute ale seciunii transversale. Asigurarea portaneinecesare a picturilor de combustibil n curentul de aer impune viteze relative ridicatentre cele dou componente ale amestecului (sustentaia fiind proporional cu ptratulvitezei relative dintre picturi i curentul de aer). Rezult deci c la un debit dat aspiratde motor, creterea vitezei aerului, pn la valoarea necesar, se obine obligatoriu prinmicorarea seciunilor transversale. Evident c prin aceasta umplerea se nrutete.Problema se complic prin aceea c viteza curentului de aer depinde de turaie (datoritmodificrii debitului aspirat). n cazul motoarelor de automobil, ce funcioneaz ntr-ogam larg de turaii (cu un raport al valorilor extreme aproximativ de 10:1)problemele sunt contradictorii. Astfel trebuie s se asigure, n sarcin total (cndobturatorul este complet deschis, deci seciunea circuitului de admisie maxim), ovitez nc suficient. La turaii reduse (la sarcini reduse), vaporizarea picturilor esteintensificat prin micorarea presiunii la nivelul colectorului de admisie. De aicirezult la turaii reduse ca fiind necesare valori sczute ale seciunilor transversale (laturaii mari n-ar mai fi cazul) i ca urmare se nrutete mult umplerea, deci scadeputerea motorului. Din aceste motive, la motorul cu turaie variabil trebuie s serealizeze un compromis. Astfel la turaii mai sczute se accept o portannesatisfctoare a picturilor (cu toate problemele ce decurg de aici), prin realizareaunor seciuni transversale mai mari, mbuntind umplerea la turaii ridicate (pentru a

mri puterea dezvoltat de motor la sarcin plin). Toate aceste probleme sunt greu dereconciliat n cazul alimentrii motoarelor cu ajutorul carburatoarelor.Utilizarea injeciei de benzin n

poarta supapelor asigur ombuntire semnificativ a umplerii,datorit libertii de a dimensiona maigeneros colectorul de admisie. Ovaporizare suficient, prin pstrareaunei viteze relative suficiente ntrepicturile de benzin i curentul deaer, se realizeaz n acest caz prinmrirea vitezei picturilor de benzin,ca rezultat al procesului de injecie.

mbuntirea devine i mai substanial n cazul injeciei directe n cilindri, deoarececolectorul comun de admisie se poate suprima. n figura 1.6 se prezint, funcie de

Figura 1.6

v1.0

0.8

1.00.8 1.20.6

injectie direct

injecie n poartasupapei

carburator


9/20


19

excesul de aer, variaia coeficientului de umplere pentru diferitele variante dealimentare a motoarelor cu aprindere prin scnteie.

1.4 CONDIIILE IMPUSE SISTEMULUI DE FORMARE AAMESTECULUI

Chiar din perioada de nceput a dezvoltrii motoarelor cu aprindere prin scnteieau rezultat o serie de cerine pentru sistemul de formare a amestecului. Aceste cerineau aprut din considerente att teoretice, ct i practice. nc din anul 1931, H.R.Ricardo sintetizeaz principalele probleme ale sistemului de formare a amestecului,dup cum urmeaz:1. S asigure un raport constant predeterminat ntre aeri benzin la toate turaiile

i sarcinile, n condiii normale;

2. S pulverizeze combustibilul ct mai fin posibil n toate condiiile;3. S permit mbogirea amestecului la deschiderea brusc a clapetei de

acceleraie;4. S asigure amestec mbogit pentru pornire sau pentru turaii sczute de mers n

gol;5. S fie prevzut cu mijloace automate sau uor controlabile de mbogire a

amestecului pentru ntreg domeniul de funcionare sau mcar pentru partea

inferioar a acestuia pn cnd se atinge regimul termic stabilizat;6. S fie uor de reglati s nu se deregleze n timpul funcionrii.

Singura condiie care nu apare este cea de a avea posibilitatea reglrii dozajului nbucl nchis pentru realizarea condiiilor de emisii poluante minime, problem carela nivelul anului 1931 nc nu se punea.

Pe baza acestor cerine s-au proiectat i realizat carburatoare din ce n ce maiperfecionate, care au nlturat prin compromis anumite aspecte contradictorii. Evidentc din punct de vedere teoretic sistemele de injecie ndeplinesc mai uor condiiileartate, dar din considerente tehnologice i de pre acestea s-au dezvoltat iperfecionat mai trziu, iar din condiia de reglaj n bucl nchis se impun ca fiind ceamai bun alternativ. Din aceste considerente rezult c viitorul este cel al motoarelorcu alimentare prin injecie.

1.5 PROCESE DE ARDERE I DE APRINDERE

Ecuaia chimic de ardere exprim proporia stoichiometric n care se combinsubstanele care reacioneaz:

aA + bB + xX+ yY+ ... ,

adic a moli de gaz A reacioneaz cu b moli de gaz B etc. pentru a produce x moli degaz X, y moli de gaz Yetc.


10/20


20

Prin convenie, n aceast ecuaie de proporii se trec n membrul drept substanelecare mpreun au mai puin energie dect substanele din membrul stng. n virtuteaacestei convenii se nelege c reacia care se produce de la stnga la dreaptatransform energia chimic n alte forme de energie, de exemplu n cldur, de undedenumirea de sens exotermic. Sensul invers al reaciei, de la dreapta la stnga, seproduce firete cu absorbie de cldur, deci endotermic.

Procesele de ardere pot fi mprite, conform ecuaiei chimice de ardere, n funciede cantitatea de oxigen de care dispune cantitatea dat de combustibil. Astfel ntlnimprocese de ardere complet sau teoretici procese de ardere incomplet.

n cazul n care substanele finale (produsele de ardere) din ecuaia chimic numai conin energie chimic, deoarece energia chimic coninut n substanele iniiale(membrul stng al ecuaiei) s-a transformat n alte forme de energie, reacia se numeteardere complet sau teoretic. Substanele iniiale combustibile trebuie s dispun de ocantitate de oxigen cel puin egal cu cea necesar oxidrii sale integrale. Aceastcantitate de oxigen se numete teoretic, corect chimic sau stoichiometric.

Dac substanele combustibile iniiale nu dispun de cantitatea teoretic de oxigen,reacia corespunde unei arderi incomplete. n acest caz o parte din produsele de arderemai au energie chimic. Acesta nseamn c, la arderea incomplet, cantitatea deenergie obinut este mai redus, cu att mai mult cu ct cantitatea disponibil deoxigen este mai mic.

n cazul ecuaiei chimice a arderii complete dozajul substanelor iniiale esteteoretic. Dac oxigenul este n exces fa de cel teoretic, dozajul este definit ca srac,iar n cazul unei cantiti disponibile de oxigen inferioare celei teoretice, dozajul estedefinit ca bogat.

Reaciile de ardere a combustibililor sunt nsoite de degajare de cldur. O reacie

de ardere este caracterizat de cldura de reacie ce reprezint cantitatea de cldurdegajat n exterior prin arderea total a unitii de substan combustibil. Valoareacldurii de reacie depinde, n primul rnd, de natura combustibilului i, n al doilearnd, de condiiile de temperatur, presiune i volum n care s-a desfurat arderea.Cldura degajat prin ardere este folosit de produsele de ardere pentru cretereatemperaturii lor.

Arderea este un proces complex, ale crui mecanisme nu au fost pe deplinelucidate. n teoria general a motoarelor se gsesc detaliate diferite teorii ale acestuiproces.

Arderea se poate studia din mai multe puncte de vedere. Astfel, n ceea ce privetecinematica arderii, se studiaz viteza de reacie i posibilitile de control al acestuiparametru n condiii normale prin intermediul catalizei. Din punctul de vedere almecanismelor atomo-moleculare ale arderii s-au studiat diferite modele, cum ar fireaciile nlnuite sau reaciile cu lanuri ramificate, fiecare din acestea explicndanumite aspecte ale proceselor complexe ce au loc.


11/20


21

Arderea a fost definit ca un proces chimic reactiv exotermic, produs prin oxidareasubstanelor combustibile i care, n cazurile de interes, decurge rapid n timp, fiindnsoit de emisiune de lumin (flacr), precum i de creterea temperaturii i presiunii.nceputul reaciilor chimice de oxidare, numit aprindere, se produce n momentul ncare procesul de oxidare relativ lent trece ntr-un proces rapid de oxidare, astfel nctreaciile cuprind, n unitatea de timp, o cantitate att de mare de substane reactive,nct emisia de lumin i cldur, creterea temperaturii i presiunii devinsemnificative.

La motoarele cu ardere intern intereseaz dou moduri distincte prin care se poateajunge la aprindere: autoaprindereai aprinderea forat (de tipul celei provocate dedescrcarea scnteii electrice).

Pentru motoarele cu aprindere prin scnteie intereseaz evident mecanismulaprinderii forate. n amestecul omogen, aprinderea forat se poate realiza prin

declanarea unei scntei electrice sau printr-o suprafa sau punct cald.Scnteia electric reprezint un flux intens de electroni care formeaz un canal bun

conductor de electricitate. Intensitatea curentului n canal atinge valori foarte ridicate.Scnteia este nsoit de fenomene deosebite, ca de exemplu radiaia luminoas icaloric, ionizarea moleculelor i excitarea lor, apariia unor unde de presiune.Temperatura momentan atinge valori extrem de mari (20.000C). O parte din energiadescrcrii se consum pentru nclzirea local a amestecului, o alta pentru ionizareamoleculelor, iar cea mai mare parte, pentru nclzirea electrozilor bujiei.

Cu toate c mecanismul aprinderii forate de la scnteie nu este complet cunoscut,se poate afirma c trecerea scnteii electrice excit moleculele i face posibil iniiereade lanuri reactive. Aprinderea se produce dup un proces la temperatur nalti estepunctiformi nu n volum.

Dup realizarea aprinderii, remarcat vizual prin apariia unui nucleu de flacr,urmeaz arderea, cu propagarea flcrii n amestecul format. Propagarea flcriiconstituie de asemenea obiectul unor studii aprofundate, finalizate cu elaborarea demodele.

1.6 ARDEREA NORMAL N MOTORUL CU APRINDERE PRINSCNTEIE

Trsturile fundamentale ale arderii n motoarele cu aprindere prin scnteie derivdin aceea c, n momentul declanrii scnteii electrice, amestecul aer-combustibil dincilindru se gsete ntr-o stare de mare omogenitate. n caz contrar nu sunt posibile niciapariia focarului iniial (nucleul de flacr), nici rspndirea flcrii n toate direciile,pn la aprinderea n ntregime a amestecului. Astfel, prepararea unui amestec omogen

aer-combustibil are o influen hotrtoare pentru procesul de ardere. n acest scop este


12/20


22

necesar s se asigure vaporizarea combustibilului lichid, amestecarea sa intim cuaerul, precum i realizarea unei proporii corespunztoare ntre aeri combustibil.Toate calitile motorului depind ntr-o msur nsemnat de gradul de vaporizare

a combustibilului. n faz lichid arderea combustibilului se desfoar lent, seprelungete n destindere i reduce economicitatea. Picturile de combustibil sunt osurs de formare a depunerilor de calamin n camera de ardere i de neuniformitate adozajului pentru diferii cilindri. De asemenea, picturile de combustibil antrenate ncilindru se depun pe oglinda lui, spal pelicula de ulei, compromind ungerea.Ajungnd apoi n carter, dilueaz uleiul i nrutesc calitaile lui unguente. Toateaceste procese duc la uzuri rapide ale motorului.

Dup cum s-a artat, o intensificare a vaporizrii combustibilului lichid serealizeaz prin mrirea vitezei relative dintre cele dou fluide care urmeaz a seamesteca - aerul i combustibilul (vaporizare dinamic). Aceasta se poate realiza ndou moduri distincte: prin mrirea vitezei aerului n raport cu vna de combustibil (specific formrii

amestecului prin carburaie); prin mrirea vitezei combustibilului n raport cu aerul (specific formrii

amestecului prin injecie).Arderea normal la motoarele cu aprindere prin scnteie const n arderea treptat

a amestecului aer-combustibil, ca rezultat al propagrii unei flcri (front de aprindere)n ncrctura proaspt, de la un focar iniial produs n dreptul electrozilor bujiei, dupdeclanarea scnteii electrice. Arderea normal, caracterizat de procesul de propagarea flcrii cu viteze moderate, este singura care asigur o eficien economic ridicat,nu provoac avarierea sau uzura rapid a motorului i poate fi dirijat sau controlat.

n anumite situaii apar fenomene perturbatoare ce mpiedic arderea normal.

Uneori este posibil, ctre sfritul arderii normale, nainte ca frontul de aprindere sstrbat ntreaga camer de ardere, s apar n ncrctura proaspt o accelerareputernic a arderii, un fenomen de autoaprindere a ultimelor poriuni de amestec. nacest caz, procesul de ardere este cunoscut sub numele de detonaie sau btaie deardere. Detonaia limiteaz performanele tehnico-economice i duce rapid la scoatereadin funciune a motorului. Alteori este posibil ca desfurarea arderii normale s fiensoit de apariia unor aprinderi ale amestecului de la punctele sau suprafeele caldedin camera de ardere (calamin incandescent etc.), nainte sau dup producereascnteii, cu formarea unuia sau mai multor fronturi de aprindere suplimentare. Acestemanifestri ale arderii din motoarele cu aprindere prin scnteie sunt denumite ardereanormal.

Cel mai rspndit i mai vechi mijloc de investigaie pentru studiul arderii lconstituie diagrama indicat. n mod obinuit aceasta poate fi ridicat n dou sistemede coordonate: presiune-volum sau presiune-unghi de rotaie a manivelei. Cele douvariante sunt prezentate corelate ntre ele n figura 1.6.


13/20


23

Diagrama presiune-unghi de rotaie a manivelei (figura 1.6 b) este maiconvenabil pentru studiu, ntruct permite o extindere a intervalului de varia ie apresiunii n timpul arderii, ceea ce mrete precizia investigaiei.

Declanarea scnteii electrice se produce cu avans fa de p.m.i. n punctul s, carepoate fi precizat pe diagram n timpul experimentrii sau ulterior. Avansul laproducerea scnteii electrice se noteaz cu .

Diagrama desfurat p evideniaz urmtoarele aspecte:a. Dup declanarea scnteii electrice, cele dou curbe de presiune rmn suprapuse

un interval de timp, n care arborele parcurge unghiul i ;b. Din momentul desprinderii curbelor (din punctulul de desprindere), presiunea din

ciclul cu aprindere crete rapid, pn atinge valoarea maxim. Aceast etap aprocesului, n care arborele cotit parcurge unghiul p, poart numele de arderevizibil, deoarece creterea nsemnat de presiune nu poate fi dect rezultatulpunerii n libertate a unei pri importante din energia chimic a combustibilului.Curbele de presiune se desprind naintea p.m.i. cu avansul d. Un parametrucaracteristic al procesului de ardere din aceast etap l constituie tangenta la curbade presiune, n fiecare punct, care reprezint viteza instantanee de cretere apresiunii (dp/d = p'). Din studiul acestei diagrame (prezentat n figura 1.6 c) sepot trage o serie de concluzii nsemnate pentru o proiectare corect a motoarelor.

c. Dup ce atinge valoarea maxim, presiunea ncepe s scad dup o lege carereprezint o evoluie termodinamic de destindere. Sfritul arderii poate fi

Figura 1.7

p

Vpmi pme

fp

ciclu fr aprindere

p'max

p'max

d

s

y

t

p y

pmi

ciclu cu aprindere

d

t

p'

i

d

n

yd

sd

a

c

b


14/20


24

precizat cu ajutorul diagramei indicate numai prin calcul, dup prelucrarea ei pebaza unor ipoteze simplificatoare.mbuntirea calitilor generale ale motorului, a indicilor si caracteristici i n

primul rnd a puterii i randamentului se poate obine numai dac durata arderii esteredus la minimum. Asupra procesului de ardere acioneaz n mod distinct diferiifactori ce pot fi grupai dup cum urmeaz: Factori de stare:

turbulena; dozajul; temperatura iniial cantitatea de gaze arse reziduale; umiditatea. Factori funcionali:

avansul la producerea scnteii; turaia; sarcina. Factori constructivi:

raportul de comprimare; dimensiunile cilindrului; arhitectura camerei de ardere; arhitectura colectorului de admisie; compoziia combustibilului.

Evident, un control eficient al arderii prin intermediul avansului la aprinderetrebuie s in seama de aceti factori n interdependena lor funcional. Rezult omare complexitate, ceea ce impune i n acest domeniu controlul computerizat. Se

poate deci concluziona c un control simultan asupra formrii amestecului i alaprinderii, realizat cu un sistem de procesare puternic, asigur cretrea performanelormotoarelor cu aprindere prin scnteie.

1.7 DOZAREA COMBUSTIBILULUI

Reglarea cantitii de combustibil impune dozarea corespunztoare calitativ icantitativ a amestecului la toate regimurile de sarcin i turaie: pornirea la rece,mersul n gol, mersul n regim de sarcin medie i maxim, precum i regimuriletranzitorii, pentru a obine funcionarea cea mai economici cel mai sczut nivel denoxe.

Esenial pentru structurarea unei instalaii de alimentare prin injecie este naturasemnalului de reglare. Cantitatea de carburant Cc ce se amestec cu cantitatea de aerCala un coeficient de dozaj L este dat de relaia:


15/20


25

L

ac CC

(1.1)

Se obine relaia:

L

paaa

c

FC

2 (1.2)

unde:Fa - seciunea de curgere a aerului prin galeria de admisie;a - coeficientul de vitez;a - densitatea aerului;

p - depresiunea n seciunea Fa.Efectuarea reglrii debitului de combustibil Cc impune n primul rnd msurareadebitului de aer. n acest scop se pot utiliza procedee globale, prin msurarea simultana ambelor mrimi componente ale debitului: seciunea de curgere i depresiunea. Pot fifolosite procedee de msurare a depresiunii cu meninerea constant a seciunii decurgere sau invers. n aceste cazuri sunt necesare msuri suplimentare pentrucorectarea abaterilor densitii aerului a introduse de modificarea temperaturii ipresiunii.

Pe baza relaiilor de dozaj, se disting urmtoarele sisteme de reglare: prin msurarea seciunii de curgere a aerului, exprimat prin poziia unghiular a

unui obturator; prin msurarea depresiunii din galeria de admisie; cu ajutorul debitmetrelor electrice.

Reglajul dup poziia obturatorului realizeaz corelarea debitului de combustibilcu unghiul de deschidere a clapetei, care determin debitul de aer. Msurarea peaceast cale a debitului de aer nu este ns foarte precis deoarece este neglijatinfluena depresiunii. Ca avantaj al metodei trebuie remarcat faptul c n acest cazorganul de reglare a sarcinii, ndeplinete i funcia de debitmetru, din care motivtraseul de admisie este simplificat, contribuind la mbuntirea umplerii cilindrilor. Deasemenea, sunt remarcabile promptitudinea rspunsului dinamic i sensibilitatea.

Principiul se preteaz la crearea unor sisteme mecanice de reglare, simple iieftine. Totui, reglajul mecanic, creaz dificulti datorit numrului relativ mare depiese mobile i articulaii care se uzeaz i se deregleaz, necesitnd o ntreinerefrecventi calificat.

Procedeul de reglare vacuumatic folosete ca mrime de reglare depresiunea dingaleria de admisie. n acest caz se ine seama automat i de variaia turaiei, fiind totuinecesare uoare corecii impuse de reproducerea fidel a caracteristicii de dozare. Deregul, efectul turaiei trebuie avut n vedere doar la valori ridicate ale acestui


16/20


26

parametru, deoarece la turaii mijlocii umplerea cilindrilor este mai puin influenat demodificarea regimului de vitez a motorului. Sistemul, ce rspunde rapid lamodificarea sarcinii, se distinge prin simplitate i fiabilitate.

n ultima categorie de procedee se nscriu dispozitivele care msoar attdepresiunea, cti seciunea. n amontele obturatorului se monteaz un debitmetru ncare elementul esenial l constituie o clapet cu deplasare axial sau circular.Micarea clapetei se efectueaz sub aciunea depresiunii variabile ce apare ladeschiderea obturatorului.

Debitul de aer poate fi msurat i prin anemometrie electric. n acest caz, laintrarea n colectorul de admisie se prevede o rezisten de platin nclzit electric,ncorporat ntr-o punte Wheatstone. Rezistena este plasat ntr-o zon de circulaie aaerului de seciune constant. Temperatura rezistenei scade o dat cu creterea vitezeiaerului (deci a debitului), dezechilibrnd puntea. Tensiunea de dezechilibru estefolosit pentru controlul temperaturii rezistenei de platin. Reechilibrarea puniipresupune creterea valorii curentului de nclzire care strbate rezistena. Pe bazavalorii curentului de nclzire se obin informaii cantitative asupra debitului (masic) deaer. Timpul de rspuns al dispozitivului este extrem de redus, de ordinulmilisecundelor. Msurnd debitul masic de aer, procedeul nu reclam coreciisuplimentare, deoarece n semnalul emis intr i efectul densitii aerului, adicinfluena mrimilor de stare locale ale aerului, inclusiv a altitudinii. Rezisten a, avndseciune proprie foarte redus, nu creeaz rezistene suplimentare la umplere.Avantajul esenial al acestei metode de reglaj provine din aceea c de fapt n motor searde o anumit mas de benzin, pentru care este necesar o mas de aer bineprecizat; deci, debitul masic de aer reprezint informaia cea mai corect ce poate fifolosit.

n expresia debitului de combustibil (1.2) intr i coeficientul de dozare, . Elpoate fi luat n considerare, folosind anumite criterii, cum ar fi condiia funcionriieconomice (consum redus) sau respectarea normelor de protecie a mediului (noxepoluante minime). n cel de-al doilea caz se impune ca la toate regimurile funcionalevaloarea coeficientului de dozaj s fie adus la niveluri care s reprezinte compromisulcel mai convenabil ntre consum i poluare. n acest caz n structura sistemului decontrol apare un bloc electronic n care se memoreaz caracteristica de dozare,elaborat inndu-se seama de criteriul ales i care comand n mod corespunztordispozitivul de dozare.

Un caz special este cel al motoarelor prevzute cu sisteme de depoluare a gazelorde eapament folosind posttratare catalitic. Depoluarea este asigurat de un filtrucatalitic cu trei ci, a crui funcionare optimal se realizeaz numai dac coeficientulde dozare a amestecului realizat este meninut riguros constant la valoareastoichiometric, = 1. Determinarea coeficientului de dozare a amestecului se face pebaza analizei gazelor arse cu ajutorul unui sensor Lambda (de fapt, traductor de


17/20


27

oxigen), plasat n circuitul de evacuare, naintea filtrului catalitic. Sensorul Lambdaemite un semnal a crui tensiune este dependent de densitatea oxigenului n amestec.Semnalul este folosit pentru nchiderea unei bucle de reacie negativ, cu efectstabilizator pentru valoarea coeficientului de dozaj, permind regulatorului scontroleze n mod corespunztor debitul de combustibil.

Uneori se folosete drept criteriu de reglaj variaia randamentului de umplere acilindrilor. Dac se impune condiia de a alimenta motorul la toate regimurilestabilizate cu amestec avnd acelai coeficient de dozaj,, rezult:

c

a

at

a

CL

C

C

C

(1.3)

de unde:

LCC ac (1.4)

Avnd n vedere c;

),( vaa FfC (1.5)

unde Fa este seciunea-timp a supapei de admisie, iarv randamentul volumetric alumplerii, se obine o dependen de tipul:

)( vc fC (1.6)

Se poate deci concluziona c n final cantitatea de combustibil ce trebuie dozatdepinde numai de randamentul volumetric al umplerii, deoarece pentru un motor dat L,i Fa sunt constante i cunoscute.

La motoarele cu aprindere prin scnteie care au raportul curs/diametrul pistonuluii lungimea relativ a bielei de valori apropiate, fazele distribuiei au o mprtiererelativ redus. Se estimeaz avansul la deschiderea supapei de admisie la cca 25 RAC(rotire arbore cotit) naintea punctului mort interior, iar nchiderea se face la cca 60RAC dup punctul mort exterior. Aceste valori unghiulare au rezultat ca uncompromis optim din punctul de vedere al performanelor de putere, consum ipoluare. Ca urmare, variaia vitezei de curgere a aerului pe lng supapa de admisieeste asemntoare la toate motoarele cu aprindere prin scnteie, ndeplinind condiiilemenionate. Se obine astfel o caracteristic universal a randamentului volumetric deumplere. Memornd aceeai funcie f(v), la nivelul unui bloc electronic se poaterealiza un sistem de control al dozajului aplicabil ntr-o gam larg de cilindrei.


18/20


28

Procedeul realizeaz un dozaj care se abate ntr-o oarecare msur de la cerinelemotorului exprimate prin caracteristica de dozare. Datorit marelui avantaj alsimplitii i al preului de cost redus procedeul este recomandabil pentru automobilelede foarte larg rspndire.

1.8 PROBLEME LEGATE DE POLUAREA MEDIULUI

Reducerea polurii constituie o prioritate politic n multe zone ale lumii. Se cautun echilibru dificil ntre necesitatea aerului curat i cea a transporturilor. Automobilulelectric reprezint o soluie atractiv, marcat de multe cercetri, dar i de rezultaterelativ modeste. Principala problem const n autonomia redusi n costul ridicat albateriilor de acumulatoare.

Poluarea atmosferei se datorete parial i gazelor eapate de automobile.Principalele noxe sunt: oxidul de carbon, oxizii de azot i hidrocarburile nearse. Seapreciaz c la ora actual automobilele produc 95% din oxidul de carbon care provinedin procesele artificiale, circa 1/3 din oxizii de azot i circa 10% din particulele solideexistente n atmosfer. Efectele polurii produse de automobile sunt de obicei locale,dar nu trebuie neglijat influena pe care acestea o au asupra creterii coninutului debioxid de carbon al aerului planetei, cretere care, dac nu se limiteaz, va duce, dupcum se apreciaz, la mutaii climatice nsemnate. n ceea ce privete efectele locale alepolurii atmosferei, acestea sunt importante n oraele mari, cu trafic intens.

Concentraiile principalelor noxe variaz n funcie de condiiile atmosferice i deora local. Prin msurri efectuate la Los Angeles s-a determinat concentraia de oxidde carbon, situat aproape zilnic ntre 6 i 15 ppm, concentraia de oxizi de azot, ntre0.05 i 0,15 ppm, iar concentraia de hidrocarburi ntre 2 i 4 ppm. La New York,

concentraia de oxid de carbon atinge 15 ppm timp de 8 ore n 30% din zilele anului.n ara noastr, potrivit normelor Ministerului Sntii, concentraia admis deoxid de carbon este de 4,8 ppm pentru 1/2 or, iar pentru oxizi de azot, 0,15 ppmpentru aceeai perioad de expunere.

Prin arderea benzinei n motoarele cu aprindere prin scnteie se obin (raportat lavolumul total): oxid de carbon 0,1, ..., 6%, hidrocarburi nearse 100 ... 1 000 ppm, oxizide azot 200 ... 4 000 ppm, bioxid ce carbon 9, ..., 14%, oxigen 0,1, ..., 4%, vapori deap 12, ..., 14% i azot (restul).

n afara oxigenului, azotului, vaporilor de api hidrogenului, celelate substane sencadreaz n categoria substanelor poluante primare. Alte substane poluante - celesecundare - se formeaz n aer prin interaciunea celor primare sau prin reaciileacestora cu ali constitueni ai aerului. Dintre substanele poluante secundare cele maiimportante sunt smogul fotochimic, frecvent la Los Angeles i Tokyo, i smogul

umed, specific Londrei.


19/20


29

Cantitatea de substane poluante degajate de automobil depinde de parametriiconstructivi ai motorului i ai automobilului nsui, de regimul de funcionare, decalitatea reglajelor, de temperatura mediului ambiant, precum i de ali factori.

Monoxidul de carbon (CO) are un efect toxic asupra organismului deoarece, odatptruns n snge, se combin cu hemoglobina, formnd carboxihemoglobina, ceea cediminueaz capacitatea sngelui de a transporta oxigenul n esuturi. Este un gazinodori incolor, ceea ce l face extrem de periculos. Chiari o proporie de 0.3% (dinvolum) de CO n aer poate deveni fatal, dac persist peste 30 min. Din acest motiveste interzis funcionarea motoarelor cu ardere intern n interiorul camerelor nchisesau halelor, dac sistemul de ventilaie nu este n funciune.

Apariia monoxidului de carbon n gazele de eapament are drept cauz principalarderea incomplet a carburantului, determinat n primul rnd de insuficienaoxigenului n amestecul proaspt. De aceea, o dat cu mbogirea amestecului

proaspt, concentraia oxidului de carbon n gazele de evacuare crete. Formareaoxidului de carbon, chiar atunci cnd se realizeaz un pronunat exces de aer, este puspe seama interaciunii, pe durata procesului de ardere a unor factori termodinamici icinetici compleci.

n gazele de evacuare se gsesc att hidrocarburi nearse, provenite din celeexistente n combustibil (datorit fenomenelor de stingere a flcrii sau de dispersieciclic), ct i hidrocarburi de sintez (formate n timpul arderii). Mirosul specificgazelor eapate, mai ales la motoarele Diesel, este provocat tocmai de unele din acestehidrocarburi care se sintetizeaz n timpul arderii. Concentraiile fraciunilor care suntresponsabile de mirosul caracteristic neplcut sunt extrem de reduse i deocamdat nusunt puse la punct metodele de determinare. Hidrocarburile au miros neplcut, iar celearomatice, cu greuti moleculare ridicate, sunt cancerigene. Ca substane poluante

secundare, au rolul principal n formarea smogului fotochimic.Oxizii de azot (NOx) degajai de motoarele cu ardere intern sunt de asemenea frculoare, fr miros i fr gust. n prezena oxigenului atmosferic se transform rapidn bioxid de azot (NO2), de culoare brun - rocat, cu miros neptor, ce cauzeaziritaii pronunate ale sistemului respirator i ale ochilor. ntruct bioxidul de azotdistruge esutul pulmonar, acest gaz este duntor sntii cnd apare n concentraiiridicate, provocnd crize acute suferinzilor de astm sau bronite.

Mecanismul apariiei oxizilor de azot n gazele arse nu este complet elucidat.Acesta const, n principiu, n oxidarea azotului la temperaturile i presiunile ridicateatinse n momentul arderii. Oxizii de azot particip la procesul de formare a smoguluifotochimic.

La originea particulelor solide rspndite n atmosfer de ctre automobile se aflplumbul i fosforul din carburant, carbonul provenit din cracarea sau polimerizarea

unor hidrocarburi, unii compui metalici ce intr n componena aditivilor introdui nulei, particulele de oxizi de fier din canalizaia de eapament.


20/20


30

Fumul este caracteristic motoarelor cu aprindere prin comprimare. n funcie desarcin, motorul Diesel emite fum alb, albastru sau negru. Cel alb apare la pornirea larece, cel albastru la mersul n gol sau la sarcini mici, iar fumul negru este emanat lasarcini mari, mai ales cnd regimul termic al motorului este ridicat. n compozi iafumului intr particule solide i aerosoli lichizi cu diametre n jur de 1 m.

Din analiza poblemelor legate de poluarea mediului se pot trage anumite concluzii: componentele poluante apar din condiii contradictorii relativ la formarea

amestecului (dozaj); regimurile dinamice accentueaz tendina motorului de a polua mediul, ceea ce

ridic probleme nsemnate n cazul circulaiei n trafic aglomerat; reducerea polurii necesit utilizarea unor tehnici de control extrem de precise i

de rafinate, ceea ce impune controlul electronic; cele mai bune performane n prezent se obin prin utilizarea catalizatorilor pe

circuitul gazelor de evacuare, tehnic ce impune un control extrem de riguros aldozajului.

MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE. CONSTRUCŢIE, CARACTERISTICI, PROCESE

Documents

Transcript of MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE. CONSTRUCŢIE, CARACTERISTICI, PROCESE