CHIINAU EDITURA "THNICA-INFO"

2000

Gheorghe Bobescu Anghel Chiru Cornel Cofaru Gheorghe-Alexandru Radu Horia Abitncei

Nicolae urea Vladimir Ene Valentin Amariei Tudor Alcaz

M ihaiTm baliuc

PENTRU AUTOMOBILE SI TRACTOARE

Volumul IIIEconomie i ecologie.

Surse energetice alternative

/ I PREMS GROUPPPFiTlf BRAOV ROMNIA

2200 BRA V STR- AUREL VLAICU, NR. 109 B Tel: 068 /423117, 426423; Fax: 068/421501

Automobilul Dumneavoastr ar alege

PRETl ICOMPONENTE AUTO

Arbori cotii: DACIA, RO D127, LADA 1200-1500, SAVIEM, MN, TRACTOR Seturi motor: DACIA, OLTCIT1100 cmc, RO D127, SKODA 120L, TRACTOR U445,

TRACTOR U650, RABA/M AN 215 CP, 256 CP Cuzinei: DACIA 1300, DACIA 1400, standard i cote de reparaie Elemente de direcie i suspensie DACIAArip i fa DACIA 1310, DACIA 1310 model '95, DACIA 1300,

aripi interioare DACI

OFERT SPECIALGAMA DE PRODUSE EXECUTAT DE FIRMA "PREMS" SE CONCRETIZEAZ

l PRIM PIESE FABRICATE LA COMANDA CLIENILOR RESPECTND CONDIIILE TEHNICE ALE DOCUMENTAIEI ACESTORA.

GARANIE PRIN CALITATEff

i t hr

CERTIF.N0201923

A'inM M iaL SULFIRST CATEGORY-QUOTED

ON THE BUCHAREST STOCK EXCHANGE MARCHET ROMANIA96,13 Decembrie Street, 2200 Brasov - Romania,

Tel.: +40-(0)68-164641, Fax:+40-(0)68-421744, Telex 61350, 61245 http://www.ronline.ro/Rulmentul;

E-mail:rulment@starnets.ro; rulment@ronline.ro /

THE FIRST ROMANIAN BEARING PRODUCER WITH AN EXTENSIVE DESIGN AND MANUFACTURING EXPERIENCE

AND AN INTERNATIONAL QUALITY, ASSURANCE SYSTEM INTRODUCED AND MAINTAINED, MANUFACTURES AND SALES'

- AUTOMOTIVE BEARINGS;- BALL BEARINGS: deep groove, self-alignig, angular contact;- TAPERED ROLLER BEARINGS, (m etric series & inch series);- NEEDLE ROLLER BEARINGS;- SPECIAL PURPOSE BEARINGS.

Gheorghe BOBESCU Gheorghe-Alexandru RADU Anghel CHIRU Cornel COFARU Horia ABITNCEI Nicolae UREA

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV Vladiniir ENE Valentin AMARIEI Tudor ALCAZ

Mihai MBALIUC UNIVERSITATEA TEHNIC A MOLDOVEI

Centrul de perfecionare i recalificare a cadrelor Centrul de microproducie i instruire AUTOMOBILIST

MOTOARE PENTRU AUTOMOBILE I TRACTOARE

s

V o lu m u l I I I

Economie i ecologie. Surse energetice alternative

[ y UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRASOV

BIBLIOTECA CENTRAL

CHIINU EDITURA TEHNICA-INFO

M92CZU 621.43.01 (675.8)

Gh. Bobescu, V. Ene i a. Motoare pentru automobile

Chiinu: Editura Tehnica-Info, 2000 - 267 p.

Redactor: Parascovia Onofrei

Redactare computerizat: Octavian Ene

Prezentare grafic: M. Bacinschi

Recenzeni: Prof. dr. ing. Simion Popescu (Braov) Conf. dr. Vasile Ajder (Chiinu)

i tractoare: manual pentru instituiile de nvmnt superior

UNIVERSITATEA" TRANSILVANIA-d in b r a o v

b i b l i o t e c

w

ISBN 9975-63-015-4

Editura Tehnica-Info, 2000

PREFA

Progresele tehnice au fcut din motorul automobilului un produs al performanelor energetice, tehnologice, economice i ecologice.

Nivelul nalt al nnoirilor constituie, pentru toi productorii de motoare termice, o garanie a calitii constante i a ofertei complete de servicii, capabile s satisfac toate cerinele utilizatorilor, n condiiile globalizrii produciei industriale.

Legislaiile actuale limiteaz nivelul de poluare a atmosferei de ctre automobile (coninutul n CO, NOx i H C al gazelor de eapament, pierderile de hidrocarburi ale sistemului de alimentare, fumul, zgomotul ele.), iar concurena dintre firme, consumurile energetice.

Noile norme EURO 2000, restriciile impuse de normele EURO IV, ce vor intra n vigoare n anul 2005, precum i exigenele n privina diagnosticrii la bord, au introdus limitri drastice n privina concentraiei de bioxid de carbon. Pentru reducerea acestuia este necesar diminuarea consumului specific de carburant. Metodele utilizate n prezent permit o scdere a acestuia, n cazul amestecurilor srace, n condiiile injeciei secveniale n poarta supapei de admisie. Totui acest procedeu este limitat ca performane. Pentru motoarele cu aprindere prin scnteie, injecia direct de benzin este mult mai eficace. Aceasta asigur o bun preparare a amestecului, o combustie satisfctoare, concentraii extrem de reduse ale noxelor (n mod special a NOx) i un riguros control al variabilitii ciclului.

Rezultatele cercetrilor, din ultimii ani, ntreprinse de centre de studii reprezentative i de mari corporaii productoare de automobile, precum i exigenele legislative n domeniu au constituit sursele de informaii, care au stat la baza elaborrii acestei lucrri. Acestora li se adaug cercetrile tiinifice desfurate n laboratoarele de motoare ale Universitii TRANSILVANIA din Braov i Universitii Tehnice din Chiinu i finalizate prin lucrri de doctorat, conferine i comunicri tiinifice, prezentate n mai multe congrese internaionale patronate de FISITA, liAEC, SIA, ATA, SAE, VDI, UBIA, JUMV i SIAR.

Lucrarea MOTOARE PENTRU AUTOMOBILE I TRACTOARE voi. III a putut fi elaborat datorit pasiunii profesionale a autorilor ei i sprijinului, logistic i financiar, acordat de firmele braovene ROMAN, TRACTORUL, ROMRADIATOARE i RULMENTUL.

Autorii

CUPRINS

1. PROBLEME GENERALE ALE ECONOMIEI DE COMBUSTIBIL' I LIMITARE A NOXELOR LA MOTOARELE AUTO..................... 7

1.1. Privire general asupra posibilitilor de cretere a economicitii 71.2. Aspecte generale privind protecia mediului am biant..................... 10

1.2.1. Problemele msurrii gradului de poluare n o ra.................101.2.2. Dependena gradului de poluare de intensitatea de trafic.... 121.2.3. Problemele prognozei gradului de poluare a oraelor.......... 14

1.3. Analiza rezervelor motoarelor privind sporirea randamentului termic i mecanic................................................................................... 181.3.1. Influena raportului de comprimare, dimensiunilor

cilindrului i materialelor pentru pistoane i chiulas.......... 191.3.2. Influena intensitii rcirii, formei camerei de ardere i

coeficientului de um plere.......................................................... 231.3.3. Influena legii de debitare a combustibilului..........................241.3.4. Influena factorilor de exploatare.............................................29

1.4. Perfecionarea formrii amestecului i arderii...................................381.4.1. Direciile de perfecionare a proceselor la M.A.S. pentru

mbuntirea economicitii i caracteristicilor ecologice... 381.4.2. Direciile de perfecionare a proceselor la M.A.C. pentru

mbuntirea economicitii i caracteristicilor ecologice...461.4.3. Motoare de autoturisme cu ardere a amestecurilor

stratificate....................................................................................522. CERINE PENTRU LIMITAREA NOXELOR. TOXICITATEA

SUBSTANELOR POLUANTE...............................................................552.1. Geneza noxelor produse de motoarele pentru autovehicule.......... 55

2.1.1. Geneza noxelor la motoarele cu aprindere prin scnteie......562.1.2. Geneza noxelor la motoarele cu aprindere prin comprimare 602.1.3. Factori care influeneaz geneza substanelor poluante la

motoarele cu aprindere prin scnteie....................................... 622.1.4. Factori care influeneaz geneza substanelor poluante la

motoarele cu aprindere prin comprimare............................... 732.1.5. Reglarea electronic a fazelor de distribuie............ ,............79

2.2. Metode de reducere a noxelor de evacuare a motoarelor.............. 862.3. Recircularea gazelor de carter............................................................ 902.4. Recircularea gazelor de evacuare............................. ......................... 922.5. Reducerea noxelor prin controlul momentului de aprindere a

amestecului carburant...........................................................................932.6. Reducerea noxelor prin dirijarea eficient a arderii.........................94

2.6.1. Stratificarea amestecului carburant n camera de ardere.... 942.6.2. Fumigarea...................................................................................952.6.3. Injecia p ilo t...............................................................................952.6.4. Injecia de ap ............................................................................96

2.7. Reducerea noxelor prin prelucrarea gazelor de evacuare.............. 962.7.1. Injecia de aer.............................................................................962.7.2. Reactori termici......................................................................... 972.7.3. Reactori catalitici...................................................................... 992.7.4. Sonda Lambda............................................................................1022.7.5. Filtre pentru reinerea particulelor de plumb........................ 1072.7.6. Filtre pentru reinerea emisiei de particule la M .A.C.-uri... 1082.7.7. Necesitatea limitrii prin norme a emisiilor de benz(a)piren din gazele de evacuare ale motoarelor de autovehicule..................110

3. S UPRA ALIMENT ARE A MOTOARELOR AUTO............................... 1123.1. Principii de realizare a supraalimentrii........................................... 1123.2. Diagrama indicat i fazele optime de distribuie

la motorul supraalimentat............................................................. ...... 1183.3. Msuri constructive ce se impun la motorul supraalimentat.......... 1223.4. Agregate de supraalimentare.............................................................. 1233.5. Supraalimentarea M.A.C.-urilor pentru autoturisme...................... 1253.6. Rcirea aerului nainte de admisie n motorul supraalimentat....... 128

3.6.1. Rcirea aerului n schimbtoarele de cldur....................... 1293.6.2. Rcirea aerului prin destindere................................................ 1313.6.3. Corectarea caracteristicilor motoarelor................................. 132

3.7. Problemele forrii prin turbosupraalimentare................................ 1333.8. Caracteristicile turbocompresorului................................. ................ 137

3.8.1. Caracteristica normal a compresorului................................ 1373.8.2. Caracteristica universal a compresorului.............................1383.8.3. Caracteristicile universale ale turbinei...................................1393.8.4. Fenomenul de pom paj...............................................................1403.8.5. Acordarea turbocompresorului cu M .A.C............................. 141

4. SISTEME DE PROPULSIE ALTERNATIVE....................................... 1434.1. Motoare cu piston rotativ .................................................................... 147

4.1.1. Schema cinematic i prile constructive principale.......... 1474.1.2. Particularitile desfurrii ciclului....................................... 1494.1.3. Geometria suprafeei interioare a carcasei m .p.r..................1544.1.4. Etanarea.....................................................................................1554.1.5. Sistemul de ungere.................................................................... 1574.1.6. Sistemul de rcire...................................................................... 158

4.1.7. M ateriale.....................................................................................1594.1.8. Parametrii specifici. Performane .......................................... 1604.1.9. Variante constructive realizate................................................ 162

4.2. Turbina cu gaze.....................................................................................1634.2.1. Turbina cu gaze - construcia general..................................1644.2.2. Particularitile turbinei cu gaze pentru automobil.............. 1684.2.3. Elementele componente ale turbinei cu gaze.........................1704.2.4. Sisteme auxiliare......................................................... ..............1764.2.5. Particularitile aplicrii materialelor ceramice.................... 1774.2.6. Elemente de termodinamic ale turbinei cu gaz ...................1794.2.7. Caracteristicile turbinei cu gaz................................................ 181

4.3. Motorul Stirling.....................................................................................1824.3.1. Principiul de funcionare.......................................................... 1834.3.2. Ciclul termodinamic..................................................................1894.3.3. Surse de pierderi.........................................................................190

4.3.4. Influena parametrilor constructivi i funcionali asupra performanelor............................................................................ 194

4.3.5. Construcia motorului Stirling cu simpl aciune.................1964.3.6. Construcia motorului Stirling cu dubl aciune...................2014.3.7. Particularitile motorului Stirling cu lichid..........................2024.3.8. Aprecierea calitilor de sistem ...............................................2034.3.9. Parametrii caracteristici i soluii constructive..................... 206

4.4. Surse energetice electrochimice......................................................... 2074.4.1. Bateria de acumulatoare........................................................... 2084.4.2. Pila de combustie...................................................................... 2094.4.3. Soluii constructive ale propulsiei automobilului

folosind surse electrochimice............................ ......................2205. PARTICULARITILE FUNCIONRII MOTOARELOR LA

REGIMURI TRANZITORII.................................................................. ....2295.1. Regimuri asemenea de funcionare a m otoarelor............................ 2305.2. Cicluri similare de lucru.............. ........................................................2325.3. Analiza comportrii M.A.C.-ului la regimuri tranzitorii................237

5.3.1. Regimul de accelerare a motorului......................................... 2375.3.2. Influena avansului la injecie i sarcini asupra duratei

procesului de accelerare........................................................... 2405.3.3. Regimul de pornire a motorului cu aprindere prin

scnteie.......................................................................................2505.3.4. Regimul de preluare a sarcinilor.............................................254

BIBLIOGRAFIE................................................................................................ 258ANEXE................................................................................................................260

1. PROBLEME GENERALE ALE ECONOMIEI DE COMBUSTIBILI I LIMITARE A NOXELOR LA MOTOARELE

DE AUTOVEHICULE

1.1. Privire general asupra posibilitilor de cretere a economicitii

Folosirea raional i cu maxim de eficien a combustibililor i n general a energiei reprezint un obiectiv prioritar al cercetrii tiinifice i al orientrii direciilor de dezvoltare a economiei rilor noastre.

innd seama de rezervele limitate de combustibili convenionali pentru autovehicule i avnd n vedere consumurile rapid cresctoare de astfel de purttori de energie n condiiile unor ritmuri ridicate de dezvoltare a activitilor economice i sociale, cercetarea tiinific trebuie s rezolve unele probleme fundamentale la nivel macroeconomic sau pe ramuri cum ar fi:

- optimizarea consumului general de energie pe locuitor i de combustibili petrolieri n special, n condiiile unor activiti raionale i eficiente care s nu conduc la risip, dar nici s nu frneze progresul economico-social i creterea calitii vieii;

- analiza avantajelor i dezavantajelor diferitelor mijloace de obinere i furnizare a energiei pentru nevoile industriei, transporturilor, pentru nclzit i iluminat i alegerea celor mai convenabile soluii avnd n vedere resursele disponibile, posibilitile i perspectivele de conversie a energiei neconvenionale, valorificarea eficient a resurselor secundare;

- optimizarea distribuiei sistemelor de transport individual i n comun din punctul de vedere al duratei deplasrilor, confortului, economicitii, siguranei, proteciei mediului nconjurtor i al asigurrii rezervelor de cretere a mobilitii populaiei i de circulaie a mrfurilor;

- cercetarea posibilitilor de obinere i utilizare pentru transporturi a combustibililor neconvenionali cum ar fi gazele naturale, produsele sintetice pe baz de crbune, alcoolurile i uleiurile obinute din produse vegetale, metanolul sau amoniacul obinute ca produse secundare n industrie, hidrogenul etc.; este important s se cerceteze posibilitile i eficiena utilizrii combustibililor neconvenionali n exclusivitate sau ca adaosuri la combustibilii petrolieri convenionali;

- cercetarea posibilitilor de extindere a traciunii electrice la unele activiti de transport din carierele de minerit, pe marile antiere, la unele transporturi de mrfuri pe trasee asigurate cu linii de alimentare pentru transportul de pasageri din orae, sau utilizarea traciunii combinate prin

propulsie cu motoare Diesel pentru manevrele din punctele de descrcare- ncrcare i prin propulsie electric pe traseele cu linii de alimentare, putndu-se economisi importante cantiti de combustibili petrolieri lichizi.

Parcul de automobile i tractoare a ajuns n lume la cifre impresionante, fr asemenea vehicule fiind de neconceput activitatea economic i social din marile centre urbane, realizarea produciilor mari agricole bazate pe metode intensive, exploatarea resurselor forestiere, miniere, petroliere. O parte nsemnat a populaiei desfoar activiti productive i de cercetare tiinific legate de producia i exploatarea automobilelor i tractoarelor, deci toate perturbaiile cronice sau conjuncturale din aceste domenii pot provoca importante dereglri sau tensiuni n planul vieii sociale. Din aceste motive trebuie s se apeleze la toate msurile necesare i s se valorifice toate posibilitile conturate n vederea utilizrii raionale i cu responsabilitate pentru generaiile viitoare a rezervelor existente de combustibili i pentru reorganizarea tehnicilor de transport n scopul optimizrii acestuia.

In plus trebuie avut n vedere faptul c eficiena soluiilor de mrire a randamentului utilizrii energiei primare de ctre motorul cu ardere intern are nc o cretere lent, datorit pstrrii structurii tradiionale a motorului n general. La aceasta se adaug efectul ratei actuale de nnoire a parcului de automobile i tractoare, meninndu-se n exploatare un numr mare de autovehicule relativ vechi cu consumuri mari de combustibil pe unitatea de lucru util efectuat.

La motoarele actuale, cu toate progresele realizate, o proporie relativ modest din energia eliberat de combustibil n cilindrul motorului se livreaz sub form de energie mecanic util pentru propulsie sau traciune. In acelai timp ns, motorul cu ardere intern actual transform n energie mecanic mai mult de 90-95 % din cldura ce se poate transforma de ctre motor n structura sa existent n prezent.

Pierderile de cldur din cldura netransformabil nc n energie mecanic nu se pot imputa motorului propriu-zis, ci modului n care se transform cldura n energie mecanic, respectiv concepiei ansamblului instalaiei energetice pentru propulsie.

Salturile mari ateptate n creterea randamentului vor putea fi realizate prin abordarea unor soluii noi pentru ansamblul instalaiei energetice care s reueasc o utilizare ct mai complet a energiei primare, instalaii care pot avea chiar principii deosebite de funcionare fa de cele ale instalaiilor actuale. Printre aceste salturi se contureaz cele oferite de protecia termic a pieselor splate de gazele arse i utilizarea energiei gazelor de evacuare ntr-o turbin de propulsie, utilizarea energiei secundare

tic potenial sczut de la gazele i lichidele vehiculate prin motor pentru antrenarea unor echipamente auxiliare, utilizarea unor motoare cu pistoane libere ca generatoare de gaze pentru turbina de propulsie, utilizarea unor cicluri combinate Diesel-Stirling cu randamente foarte mari n comparaie cu randamentele motoarelor actuale.

Pierderile cu adevrat proprii motorului n structura actual sunt cele datorate frecrii la piesele aflate n micare, energiei consumate pentru antrenarea echipamentelor auxiliare, scderea randamentului la unele regimuri de funcionare datorit nrutirii schimbului de gaze, formrii amestecului i arderii, necorelrii condiiilor de rcire i de ungere cu regimul de sarcin i turaie sau cu caracteristicile mediului nconjurtor etc. De asemenea, trebuie avute n vedere i rezervele de cretere a randamentului la motoarele realizate n structura actual prin supraalimentare.

Prin urmare, n faa concepiei se pun att problemele schimbrii structurilor instalaiilor energetice pentru a se mri proporia cldurii transformate n energia mecanic utilizabil la propulsia autovehiculelor ct i optimizarea larg, la toate regimurile, a proceselor de schimb de gaze, de formare a amestecului i de ardere, apelndu-se la faze variabile de distribuie a gazelor, controlul electronic al debitrii combustibilului, controlul electronic al corelrii proceselor din motor cu condiiile mediului ambiant. O mare rezerv de mbuntire a economicitii o constituie optimizarea proceselor de schimb de gaze, de formare a amestecului i de ardere la regimurile tranzitorii, aceste regimuri avnd o pondere mare n totalul timpului de funcionare a motorului n exploatare. Soluiile cele mai eficiente de optimizare a acestor regimuri tranzitorii sunt bazate pe controlul electronic al proceselor, apelndu-se la senzori de nalt sensibilitate i echipamente de calcul i de comand cu viteze mari de aciune.

De asemenea, cercetrile tiinifice trebuie s fie concentrate i n direcia reducerii n continuare a pierderilor prin frecare, prin introducerea unor tehnologii noi de durificare a suprafeelor aflate n frecare i de finisare a acestora, prin utilizarea unor materiale noi, inclusiv a materialelor de protecie ceramice, prin utilizarea unor lubrifiani cu proprieti superioare sau a unor fenomene antiuzur cu efecte benefice pentru reducerea pierderilor prin frecare, prin optimizarea jocurilor i macrogeometriei, respectiv microgeometriei pieselor conjugate, prin implementarea celor mai noi descoperiri din domeniul tribologiei.

Rezerve importante exist i la antrenarea anexelor motorului, putndu-se reduce energia necesar antrenrii prin ridicarea randamentelor cu care lucreaz echipamentele sistemelor de ungere i de rcire i chiar de

alimentare, prin utilizarea unor sisteme de decuplare, a unor echipamente auxiliare cnd funcionarea acestora nu este necesar, printre care ventilatorul i compresorul pentru sistemul de frnare. De asemenea, sunt rezerve de reducere a energiei cheltuite la antrenarea echipamentelor auxiliare prin ridicarea randamentelor sistemelor de transmitere a puterii prin curele trapezoidale, curele dinate, lanuri sau roi dinate de la arborele cotit sau de la arborele cu came la pompele de ulei i de alimentare, la ventilator i la compresor etc.

Constituie o surs important de pierderi i energia disipat prin bloc la elementele de suspensie ale motorului pe asiul vehiculului, ca urmare a vibraiilor produse de dezechilibrul forelor i momentelor forelor de inerie ale echipamentelor mobile ale motorului i de vibraiile gazelor din cilindru n timpul arderii.

Energia mecanic furnizat de motor transmisiei autovehiculului este utilizat att pentru nvingerea rezistenelor la naintare ale acestuia, ct i pentru acoperirea unor pierderi inerente din transmisia i sistemul de rulare al autovehiculului. Prin urmare, n activitatea de concepie trebuie s se abordeze i problemele reducerii energiei necesare pentru nvingerea rezistenelor la naintare ale autovehiculelor, respectiv reducerea pierderilor din transmisie, din sistemul de rulare i cele provocate de direcie, pierderilor de energie prin vibraii, disipat n elementele suspensiei etc.

1.2. Aspecte generale privind protecia mediului ambiant

1.2.1. Problemele msurrii gradului de poluare n orae

n oraele mari concentraia poluanilor poate ajunge la valori foarte mari, formndu-se prin nsumarea concentraiei de baz rezultat din activitile industriale curente sau fondului natural remanent i concentraiei rezultate din emisiile de poluani de la autovehicule, care depinde n mare msur de intensitatea traficului auto.

Pentru stabilirea gradului de poluare a atmosferei n marile aglomerri urbane se efectueaz multiple msurtori, unele dintre acestea punnd n eviden aportul pe care l aduc automobilele att la formarea concentraiei generale a poluanilor, ct i la emisiile unor substane cu grad mare de toxicitate, specifice numai motoarelor de autovehicule. Pentru a se putea compara rezultatele msurtorilor din diferite orae sau din diferite zone ale aceluiai ora, trebuie s se in seama de o serie de factori de influen. Printre aceti factori poziia punctului de msurare prezint mare importan. Spre exemplu, la 70 m de la osea ntr-o zon liber,

concentraia poluanilor este de numai 25 % din concentraia de la benzile de circulaie, iar la 3 m nlime concentraia ajunge doar la 75 % din concentraia msurat la 1 m nlime. O influen deosebit o are ventilaia n zona punctului de msurare, ventilaie ce depinde de prezena i structura construciilor i a vegetaiei, de existena interseciilor sau spaiilor libere, pieelor etc. De asemenea, are o importan mare cum sunt conduse autovehiculele n dreptul punctului de msurare, regimurile de lucru ale motoarelor fiind influenate de prezena interseciilor, de semaforizare pentru reglementarea circulaiei, de existena unor marcaje pentru trecere de pietoni, de blocajele fluxurilor de autovehicule. n cazurile de blocare a circulaiei crete rapid concentraia poluanilor. Valoarea concentraiilor msurate depinde de ora, ziua i chiar luna n care se fac determinrile, deoarece intensitatea traficului n orae depinde de deplasrile populaiei la diferite ore i n diferite sensuri, n diferite zile ale sptmnii sau n zilele de srbtoare, n lunile de vacan etc. i direcia, i intensitatea vntului modific valorile msurate, spre exemplu msurtorile efectuate cnd vntul bate de la sursa de poluare spre punctul de determinare dnd cifre mai mari ale concentraiilor.

n consecin este de dorit ca msurtorile s se efectueze prin prelevare de probe chiar din zona benzilor de circulaie de la nlimea de 1,60 m i ntr-un numr ct mai mare de puncte stabilite pe strzi drepte, mai departe de intersecii, semafoare i treceri de pietoni, prelevrile i msurtorile putndu-se efectua cu ajutorul unui laborator mobil realizat pe un autovehicul. Este necesar msurarea ntr-o perioad ct mai ndelungat, prezentnd interes att valorile medii, ct i cele maxime.

Din msurtorile efectuate se constat c oxidul de carbon, praful i oxizii de azot au concentraii mrite n orele de ieire de la locurile de munc, intensitatea traficului crescnd n orele respective. n schimb, bioxidul de sulf are variaii mult mai lente, fiind influenat mult de instalaiile de nclzire a cldirilor. Cantitile de praf depind de condiiile meteorologice, pe timp de ploaie sau ninsoare reducndu-se concentraia prafului n atmosfera oraului. Dintre oxizii de azot s-a constatat c bioxidul de azot nu provine n principal de la autovehicule, ci de la diferite activiti industriale, deoarece n general nu are vrfuri de concentraii la orele de vrf de trafic, aa cum au ceilali oxizi de azot pentru care s-au determinat concentraiile n marile orae.

Concentraia plumbului n aer n zonele strzilor circulate are o variaie similar cu variaia intensitii traficului auto, ceea ce i evideniaz proveniena de la motoarele autovehiculelor care utilizeaz benzin cu aditivi antidetonani pe baz de plumb.

Msurtorile efectuate ntr-o serie de orae au artat c nivelul polurii aerului provocate de motoarele autovehiculelor pe arterele de circulaie nu depinde de mrimea oraului, ci de intensitatea traficului, n timp ce valorile medii pentru ntregul ora depind i de mrimea oraului.

O atenie deosebit se acord msurtorilor de control n marile orae pentru detectarea hidrocarburilor cancerigene i alertarea factorilor de reglementare a circulaiei auto, n special la detectarea unor concentraii de 3,4 benz(a)piren, substan care se pare a fi promotoare a cancerului bronhiilor. Trebuie de menionat c n viitor restriciile privind emisiile de hidrocarburi i particule cancerigene vor deveni foarte severe, ceea ce impune intensificarea din timp a cercetrilor tiinifice pentru gsirea soluiilor de combatere, n special la genez, a acestor substane poluante.

1.2.2. Dependena gradului de poluare de intensitatea traficului

n cazul emisiilor nocive datorate autovehiculelor, gradul de poluare are o dependen liniar de intensitatea traficului, exprimat prin numrul de autovehicule care trec printr-un punct de control n unitatea de timp.

n figura 1.1 se prezint pentru exemplificare dependenele stabilite de Hiinigen prin prelucrarea statistic a datelor obinute la msurtori.

Din figur rezult c pentru toi poluanii se pot stabili relaii deforma

k = a + b N , (1.1)unde k reprezint concentraia poluantului respectiv, N - numrul de autovehicule pe or, iar a i b sunt coeficieni. n figur s-au notat cu indice a variaiile concentraiei poluanilor pentru msurtorile fcute n condiiile traficului n care autovehiculele echipate cu motoare cu aprindere prin scnteie au n medie o pondere de 84 %, iar cu b - pentru cazul n care acelai tip de autovehicule are o pondere mai mare.

Pentru determinarea coeficienilor din expresia (1.1) s-a folosit o metod statistic de calcul cu regresii.

Variaiile liniare date nu in seama de factorii meteorologici.n privina traficului trebuie s se aminteasc faptul c exist un

prag de saturaie al acestuia. Dac se consider Z lungimea medie a unui autovehicul i a distana medie dintre autovehiculele ce se deplaseaz cu viteza w n km/h, numrul mediu de autovehicule ce trec printr-un punct ntr-o or este:

103wN = --------(1.2)

a + /. Pentru o singur band

de rulare, considerndu-se distana dintre dou autovehicule dedus n funcie de viteza de deplasare w, se obine pentru cazul lungimii autoturismelor de 4 m urmtoarele valori ale numrului maxim deautovehicule N max care pot s circule fluent pe o arter (tabelul 1.1).

Tabelul 1.1Influena vitezei autovehiculului asupra circulaiei rutiere

w, [km/h] 5 10 20 30 40 50 60a, [m] 6 7 8 8 10 12 14N max, [vehid ]

or500 910 1660 2500 2860 3120 3330

Procesului de saturaie a traficului ar trebui s-i corespund concentraia maxim de poluani pentru circulaia fluent, iar la blocri ale traficului, cnd distana dintre automobile se micoreaz i regimul de funcionare al motoarelor se schimb nefavorabil pot crete concentraiile unor poluani ca oxidul de carbon i hidrocarburile. Prin urmare, pentru circulaia din orae este important s se parcurg distane ct mai mari cu fiecare kg de combustibil consumat, n scopul asigurrii rezervelor de cretere a mobilitii populaiei i de circulaie a mrfurilor cu emisii ct mai mici de poluani.

Deci este necesar organizarea i reglementarea circulaiei, n aa fel nct s se asigure la nivelul ntregului parc de autovehicule consumarea

N. autovehicule/or

Fig. 1.1. Influena intensitii traficului asupra gradului de poluare.

celor mai mici cantiti de combustibil pe unitatea de activitate util de pasageri (pasageri-kilometri, tone-kilometri), acestor condiii urmnd s le corespund i cele mai mici cantiti de poluani deversate n atmosfer de ctre motoarele autovehiculelor, cantitile fiind exprimate n mrimi specifice pe unitatea de putere dezvoltat de motoare.

In acelai timp urbanitii trebuie s asigure o configuraie corespunztoare arterelor de circulaie cu trafic intens, n aa fel nct vehiculele cu viteze mici de deplasare s dispun de posibiliti periodice de refugiu similare cu cele pentru staiile mijloacelor de transport n comun, refugiile contribuind substanial la deblocarea traficului. Deasemenea, trebuie s se asigure o structurare adecvat a ansamblurilor de construcii pentru facilitarea ventilaiei arterelor de circulaie, valorificnd n acest scop unele elemente cu care se opereaz n domeniul arhitecturii i urbanisticii, ca intercalarea unor piee sau piaete, jocurile de volume la ansamblurile de construcii, asimetria dispunerii cldirilor etc.

Tot n acelai scop este necesar realizarea unor noduri de circulaie cu traversri suspendate sau subterane, treceri subterane pentru pietoni, precum i descongestionarea traficului la suprafa prin reele de metrou subterane sau aeriene, centuri rutiere, centuri feroviare i reele feroviare de transport suburban etc. De asemenea, se pot diminua substanial concentraiile de substane poluante din zonele aglomerate ale marilor orae prin gsirea unor soluii de simplificare a parcrii autovehiculelor ntr-un timp ct mai scurt, asigurndu-se i locuri de parcare subterane sau prin suspendare, dac spaiile de la suprafa nu sunt suficiente. n caz contrar, se emit prin circulaie inutil importante cantiti de substane poluante n cutarea unui loc de parcare n zona de destinaie a deplasrii autovehiculului. Prin msuri de ordin urbanistic i de reglementare a circulaiei este posibil o reducere substanial a gradului de poluare al oraelor, ceea ce trebuie s se aib n vedere n viitor.

1.2.3. Problemele prognozei gradului de poluare al oraelor

Concentraia poluanilor produi de autovehicule variaz n funcie de intensitatea traficului, emisia fiecrui autovehicul n parte, condiiile meteorologice locale etc. Studiindu-se variaia n timp a concentraiei poluanilor i a traficului se pot ntrevedea concentraiile probabile ale poluanilor n viitor i s se ia msuri privind reducerea emisiei de poluani de la fiecare autovehicul, introducerea unor reglementri de circulaie n diferite zone ale oraelor, schimbarea structurii reelelor rutiere i a reelelor de transport n comun, schimbarea structurii mijloacelor de

transport cu diferite instalaii energetice de propulsie. Asemenea studii s-au fcut i se fac n multe ri sau zone geografice cu anumite particulariti din punctul de vedere al sensibilitii la emisiile poluante i pe baza lor se ntocmesc reglementrile privind nivelul emisiilor de substane nocive pentru automobilele puse n circulaie n zonele respective, sau poate chiar pentru limitarea numrului de autovehicule crora li se accept intrarea n ora sau ntr-o zon a sa. n continuare se prezint un model pentru prognozarea variaiei concentraiei de substane poluante la emisie.

Se consider c autovehiculele circul pe strad n flux continuu cu viteza medie w, ntre sursele de emisie rezultnd distana L= a + l (vezi relaia 1.2). Viteza de deplasare w caracterizeaz fluena circulaiei, iar densitatea traficului este o funcie complex de gradul de motorizare, artera de circulaie, importana localitii etc.

Ca urmare a deplasrii vehiculelor pe o arter, motoarele acestora emind cantiti variate de poluani n funcie de regimul de lucru ca mersul n gol, accelerrile, decelerrile, specifice circulaiei. Se pot imagina vehiculele stnd pe loc la distana a i emind poluani dup o evoluie ciclic reprezentnd regimurile de lucru ale motoarelor n ora. Emisia de poluani din gazele de evacuare se consider c se repartizeaz uniform n semispaii, deci concentraia ar varia invers cu suprafaa sferei pe care se repartizeaz, adic invers cu ptratul razei. Se caut distana pn la un punct i (fig. 1.2) situat pe trotuar la nlimea 1,80, fa de nivelul strzii, deci la 1,5 m fa de nivelul sursei i la distana de 4,5 m fa de axul sursei de poluare (considerndu-se zona n care pietonii sunt afectai de substanele poluante). T

Fig. 1.2. Schema de calcul a concentraiei poluantului.

Conform schemei din figura 1.2, raza b de la sursa S pn la punctul de emisie i este:

' L]b2 = 1,52 + 4 ,52 + 22,50 + (f (1-3)

Dac se noteaz cu E emisia sursei, concentraia poluantului i n punctul i va fi proporional cu E/b2. innd seama de relaiile (1.1), (1.2) i (1.3), se va putea scrie:

E d -4 )

22,50 +10 3W

2N

ntr-o prim aproximaie se poate exprima concentraia poluantului i ntr-un punct (relaia 1.3) i creterea concentraiei n acel punct. Relaia dintre emisiile E i concentraiile la emisie k existente n prezent (indice p) i prognozate pentru viitor (indice v), va fi:

, 'l03Wp22,50+

EyE P

2 JV (1-5)

22,50 + I P X2NV

unde F este concentraia de fond a poluantului datorat altor surse dect emisiile de la motoarele de autovehicule.

n realitate, ntre emisie i emisie nu exist o proporionalitate direct, datorit factorilor meteorologici, ventilaiei, deplasrii vehiculelor etc., deci relaia (1.5) se va putea scrie astfel:

EvE

22,50 + 10X2 N p

22,50 + IP X2 N

(1.6)

unde X este un exponent subunitar care variaz de la caz la caz.Msurtori multiple confirm proporionalitatea ntre concentraia

de poluant msurat k i intensitatea traficului N (fig. 1.1), proporionalitatea pstrndu-se i la ore diferite ale zilei, ceea ce arat c modificrile emisiei conduc rapid i la modificri ale emisiei.

Din relaia (1.6) rezult c ntre concentraie i intensitatea traficului exist o dependen de forma k = f ( N 2*).

n rile cu gradul de motorizare ridicat, unde raportul wN, V

crete ncet, se poate folosi urmtoarea relaie:E y ___ kE p ~

/pPentru o arter care n anumite condiii este saturat de trafic i

Ey _ k y ~ Fy _ ( ] J )

N k p ~ Fp

[ v = Fp = F se poate scrie:F k - F

= - . ( 1.8 )E P k p - F

Deci concentraia unui anumit poluant peste un anumit numr de ani poate fi determinat astfel:

kv = { k P - F ) - + F - (1.9)Lp

Pentru a se ine seama de toi constituenii ce particip la trafic Ni ntr-un anumit moment i, fiecare constituent avnd emisia /?, , se poate scrie emisia medie n felul urmtor:

> , ,E = ---------- ( 1. 10)

N ,i=iIn ceea ce privete numrul de autoturisme noi nmatriculate n

circulaie anual cu o anumit rat de cretere ntr-o perioad, se poate scrie c este N 0 (1+0,05i), unde N 0 este numrul de autoturisme de aceeai cilindree cu caracteristicile antipoluante ale anului de referin i0 , iar i este numrul de ani calculat de la anul de referin. n acelai timp autovehiculele folosite n anul i0 introduse n circulaie la nceput n numrul

N = N 0(\ + 0,05/q ) , se uzeaz i ies din exploatare treptat n decurs de

10 ani, ntr-un ritm mai accelerat la sfritul intervalului analizat, astfel c n anul i ' calculat de la anul i0 de nceput al produciei seriei respective, se mai afl n circulaie urmtorul numr de autovehicule:

( n ;?)2 = -o ,i[ jv 0(i + o,o5i0)]2( r - i0 - 1 0 ) . d - i i )Anali/a structurii parcului de autovehicule arat c n fiecare an

exist n em ulaie modele de autovehicule fabricate n decursul celor 10 ani

^.............

anteriori, numrul autovehiculelor dintr-un anumit.lot modificndu-se de la an la an.

innd seama de tendinele de cretere a numrului de autovehicule aflate n circulaie, de meninere n circulaie un timp relativ ndelungat a autovehiculelor dintr-un lot cu emisii poluante admise n anul de nmatriculare sau de fabricaie, rezult c singura metod eficient pentru reducerea gradului de poluare a mediului la nivelul anilor de prognoz o constituie acionarea la surs, respectiv diminuarea concentraiei poluanilor la emisie cu mai muli ani n avans.

In acelai timp trebuie remarcat faptul c unele surse de poluare sunt insuficient controlate, ca cele din industrie i de la instalaiile de nclzire, putnd s se ajung n situaia ca ponderea poluanilor emii de instalaiile staionare s devin mai mari ca cea a poluanilor emii de motoarele autovehiculelor. Prin urmare, este necesar ca aria studiilor de prognoz s se extind asupra tuturor surselor de poluare i aciunea de meninere a puritii mediului s aib n vedere i sursele staionare, care pot fi chiar mai uor controlate i cu cheltuieli mai mici dect n cazul automobilelor.

1.3. Analiza rezervelor motoarelor pentru autovehicule privind sporirea randamentului termic i mecanic

Pentru a analiza influena principalilor factori constructivi i funcionali asupra presiunii medii indicate a motorului, este convenabil s se scrie expresiile acestei mrimi sub formele urmtoare:

1 Qig PkP i = ----------- V A d - 13)

R u M. Tk

unde: R^ . constanta universal a gazelor; T]v - coeficientul de umplere; rji - randamentul indicat; Qt - puterea caloric inferioar a combustibilului lichid pentru 1 kg; M t - numrul de kmoli de ncrctur proaspt n cazul utilizrii combustibilului lichid; M ig - cantitatea de ncrctur proaspt cu

i ombustibil gazos, n kmoli; p k - presiunea ncrcturii proaspete livrate de compresor; Tk - temperatura aceleiai ncrcturi.

Din ecuaiile (1.12) i (1.13) se observ c, pentru un ciclu, cldura uiHi/.at depinde de cantitatea de combustibil i aer i puterea caloric in fer ioar a combustibilului, de volum i de densitatea ncrcturii care sunt p ro p o r io n a le cu coeficientul de umplere i)v i cu raportul dintre presiunea i I rm p e ra tu ra ncrcturii livrate cilindrilor. Calitativ, utilizarea cldurii este tlclci minat de randamentul indicat rfc.

I V1. Influena raportului de comprimare, dimensiunilor cilindrului i materialelor pentru pistoane i chiulas

Influena raportului de comprimare i dimensiunilor< ilmlrilor. Din expresia general a randamentului pentru ciclul mixt rezult i fi randamentul termic teoretic crete la mrirea raportului de comprimare,adic:

1 rcpx - 1

e * - \ 7t-l + X7t(p-l) ' ( L 1 4 )

Deoarece ift = rjg-T]t , la grad de acoperire constant, cu cretereai .iiulamentului termic se mrete i randamentul indicat i, ca urmare, crete :,ii presiunea medie indicat.

n realitate, la o mrire exagerat a raportului de comprimare e, sie posibil o oarecare micorare a gradului de acoperire Tjg datorit< uierii cldurii cedate pereilor cilindrului, creterii pierderilor de mas pi ni sistemul de etanare cu segmeni i nrutirilor posibile ale procesului de ardere datorit, n special, disocierii produselor de ardere.

Mrirea diametrului cilindrului, cu pstrarea constant a raportului S/l), permite mrirea unghiului-seciune de deschidere a supapelor i mrirea umplerii, dar mrete probabilitatea apariiei detonaiei la M.A.S. impunnd montarea a dou bujii, utilizarea unui combustibil cu cifr i U n ic mai mare sau scderea raportului de comprimare.

La M.A.C. mrirea alezajului simplific injecia combustibilului i formarea amestecului la motoarele cu camer unitar, ns i complic ii csle procese datorit necesitii mririi adncimii de penetraie a jeturilor de combustibil i mririi numrului de orificii de pulverizare, precum i dnlorit necesitii de intensificare a turbionrii. Mrirea diametrului cilindrului la un raport S/D optim micoreaz suprafaa relativ prin care se

transfer cldura de la gaze la perei, ceea ce favorizeaz mrirea randamentului indicat.

Influena materialelor pentru pistoane i chiulas. Utilizarea aliajelor cu conductibilitate termic ridicat pentru pistoane i chiulas la M.A.S. asigur scderea temperaturii acestor piese, diminund probabilitatea apariiei detonaiei. Aceasta permite mrirea raportului de comprimare cu 0,5 - 1,2 uniti , iar prin micorarea nclzirii ncrcturii proaspete se asigur i mrirea coeficientului de umplere. Toate acestea conduc la mrirea randamentului indicat i presiunii medii indicate cu 0,5-0,12 MP a.

La M.A.C. este raional s se utilizeze materiale care s asigure o micorare a pierderilor de cldur prin pereii camerei, reducerea ntrzierii la autoaprindere i a gradului de cretere a presiunii, mrimea randamentului indicat, compresndu-se micorarea coeficientului de exces de aer provocat la nclzirea mai pronunat a aerului.

Ins utilizarea unor acoperiri termoizolante din materiale ceramice pentru piesele ce delimiteaz camera de ardere, ca pistonul, chiulasa i supapele la motoarele cu aprindere prin compresie poate conduce la creterea consumului specific de combustibil, mai ales, la sarcini mari. Au fost emise ipoteze c ceramica cu coninut de zirconiu, cesiu i siliciu manifest un efect catalitic de ncetinire a reaciilor de ardere.

Cercetri analitice privind influena acoperirilor termoizolante ceramice. Cercetrile mai noi explic nrutirea economicitii n cazul proteciei ceramice prin efectul activrii conveciei provocate de mrirea temperaturii pereilor izolai termic, care face ca arderea s se produc n apropierea acestor perei. Din cauza intensificrii turbionarii ncrcturii n vecintatea pereilor, datorat fronturilor de flacr, stratul laminar de fluid devine foarte subire, gradientul de temperatur spre perei se mrete i, n consecin, crete coeficientul de transfer de cldur. Acest efect a fost descoperit prin cercetarea experimental a arderii propanului.

Activarea conveciei poate fi considerat cantitativ n calcule prin utilizarea unei variante corectate a formulei lui Woschni pentru calculul coeficientului de transfer de cldur scris n forma urmtoare:

\ 0,8

(1.15)

i i i care coeficientul c2 , care depinde de temperatura pereilor cilindrului Tw, ;

camerei de ardere K. n timp ce oscilaia temperaturii pereilor camerei de ardere din aliaje de A l nu depete 20 K, la pereii cu izolare ceramic temperatura pereilor variaz cu aproximativ 200 K n timpul unui ciclu de lucru.

n figura 1.3 se pot delimita trei zone ale caracteristicilor. n prima zon, la temperaturi ale suprafeei pereilor camerei de ardere sub 500 K, cum era de ateptat, fluxul de cldur i consumul specific indicat de combustibil se micoreaz cu creterea temperaturii pereilor, deoarece coeficientul de transfer de cldur se micoreaz n acest caz.

n a doua zon de la 500 pn la 900 K la camerele de ardere cu perei metalici i de la 500 la 700 K la camerele cu izolaie ceramic, fluxul de cldur ce trece prin perei se mrete, deoarece creterea coeficientului de transfer depete micorarea cderii de temperatur dintre gaze i perei.

i numai n zona cu temperaturi ale suprafeelor pereilor superioare celor menionate mai sus se micoreaz fluxul de cldur, deoarece, micorarea diferenei de temperatur dintre gaze i perei prevaleaz asupra creterii coeficientului de transfer de cldur. Izolaia complet a pereilor camerei de ardere face ca temperatura suprafeelor acesteia s ating valori de 1750-1850 K.

a .0.8

Qp 0.6[kJ/ciclu]0.4

0.2Si 0

[g/kYVh]

d 10[mm] 0

Tw[KJ

Piston complet S i la t -1

ceramic izolant500 700 900 1100 K 1500 1700 1900

300 500 700 C 1300 Temperatura suprafeei pistonului Tr

Fig. 1.3. Rezultatele calculului fluxului de cldur (Qw) n funcie de

temperatura suprafeei pistonului cu grosime diferit ceramic.

Fig. 1.4. Oscilaiile de temperatur a pereilor camerei de ardere din

aliaje de A l i cu izolare ceramic (Zr 0 2).

Legea de variaie a consumului specific indicat de combustibil n funcie de temperatura pereilor are un caracter analog, ns cantitativ se manifest n mai mare msur deoarece n faza de ardere, cnd temperatura gazelor atinge maximul, coeficientul de transfer de cldur crete

i onsiderabil. La izolarea complet a pereilor camerei de ardere fluxul de illdur scade considerabil pn la valori mai mici dect cele iniiale ale Iluxului prin pereii neizolai ai camerei de ardere, ns i n acest caz consumul specific indicat g, rmne mai mare dect valorile iniiale.

1.3.2. Influena intensitii rcirii, formei camerei de ardere i coeficientului de umplere

Mrirea coeficientului de umplere printr-o rcire mai intens a chiulasei la M.A.S. ofer totdeauna posibilitatea mririi presiunii medii indicate p t. In plus, putndu-se utiliza rapoarte mai mari de comprimare la o rcire mai intens creeaz posibilitatea mririi randamentului indicat, dei sunt condiii mai nefavorabile de formare a amestecului i arderii.

La M.A.C. intensificarea rcirii este mai puin dorit, deoarece ncetinete substanial vaporizarea combustibilului, formarea amestecului i arderea, ceea ce poate conduce la scderea randamentului indicat i la mrirea gradientului de cretere a presiunii, deci a rigiditii funcionrii motorului. Rcirea excesiv a pereilor camerei de ardere la M.A.C. nu este de dorit i din cauza mririi dimensiunilor de gabarit ale elementelor sistemului de rcire i micorrii eficienei instalaiilor care utilizeaz cldura gazelor de evacuare. Aceasta este una din cauzele rspndirii tot mai inari a rcirii cu aer la M.A.C. n cazul cnd nu sunt forate.

Forma camerei de ardere influeneaz asupra calitii formrii amestecului i asupra arderii , asupra suprafeei de transfer de cldur i asupra rezistenelor gazodinamice. La M.A.S. mrimile p t i r]i vor fi mai mari n cazul camerelor de ardere compacte, deoarece acestea permit utilizarea unor rapoarte de comprimare mai mari i micorarea pierderilor de cldur n timpul comprimrii, arderii i destinderii. Diferitele forme constructive aplicate pentru intensificarea turbionrii amestecului (camer separat, proeminenele de deasupra pistonului) permit ridicarea randamentului indicat la regimurile sarcinilor pariale, ns, de regul, mresc rezistenele gazodinamice, micoreaz coeficientul de compacitate al camerei de ardere i valoarea presiunii medii indicate, respectiv a randamentului indicat pentru regimul sarcinii nominale.

La M.A.C. forma i tipul camerei de ardere determin valorile medii ale coeficientului de exces de aer, ale pierderilor de cldur prin pereii camerei i manifest o influen esenial asupra pierderilor provocate de rezistenele gazodinamice datorit debitelor mari de aer care conduc la viteze ridicate de curgere, deformaiilor suferite de curentul de aer

n canalele de admisie i la trecerea pe sub supape, volumul dislocat de ctre proeminenele de la periferia capului pistonului sau la trecerea n compartimentul camerei de ardere n care se injecteaz combustibilul.

Influena coeficientului de umplere se poate analiza dup expresiile ( 1.12) i (1.13).

Dac se apeleaz ns la formulele randamentului indicat, acestea se pot scrie astfel:

P, R - M x Tk Vi ~ ---- ------ V - 1 , (1.17)

p k ?l, Qtiar pentru combustibili gazoi:

Pj R M . TkVi = -------- (1.18)

22,4 Pk Tjv - QigDin expresiile (1.17) i (1.18) ar rezulta c la mrirea coeficientului

de umplere se micoreaz randamentul indicat. ns mrirea coeficientului de umplere permite mrirea cantitii de cldur furnizat ciclului i la un coeficient de exces de aer constant, conform ecuaiilor (1.12) i (1.13), se mresc presiunile medii indicate. Deci n ecuaiile (1.17) i (1.18) , la mrirea coeficientului de umplere T]v se mresc cantitile de ncrctur cu combustibil M; i M lg, se mresc presiunile indicate i, n consecin, se mresc i randamentele indicate.

Se poate concluziona c mrirea coeficientului de umplere nu duce niciodat la micorarea randamentului indicat.

Din acest motiv se fac eforturi de mbuntire a umplerii prin mrirea numrului de supape de admisie la un cilindru la dou sau chiar la trei, prin utilizarea fenomenelor dinamice din tubulatura de admisie, prin optimizarea fazelor de distribuie, ntr-un diapazon larg de sarcini, apelnd la distribuia variabil, sau chiar la supape comandate prin electromagnei.

1.3.3. Influena legii de debitare a combustibilului

La M.A.S. cu injecie de benzin, chiar n cazul formrii amestecului n interior, n momentul aprinderii este terminat debitarea combustibilului, iar amestecul este suficient de omogen. De aceea, legea de debitare a combustibilului nu influeneaz practic asupra presiunii medii indicate i randamentului indicat. Omogenitatea nesatisfctoare a

amestecului influeneaz ns foarte mult asupra emisiilor poluante, n special de hidrocarburi, inclusiv de hidrocarburi aromatice policiclice, ceea re a impus trecerea la injecia monopunct n locul injeciei multipunct. Accast trecere a fost dictat de faptul c vaporizarea benzinei injectate cu presiuni mici necesit timp mai ndelungat de vaporizare i de difuzie a vaporilor n curentul de aer, deci omogenizarea amestecului nu se poate realiza la nivelul dorit n cazul injeciei n poarta supapei.

La M.A.C. formarea amestecului i arderea se suprapun cu procesul de debitare a combustibilului. Profilul camei pompei de injecie sau legea de deschidere a acului injectorului poate influena fineea pulverizrii i determin viteza de debitare a combustibilului, influennd, prin urmare, i asupra unor parametri, ca viteza de cretere a presiunii n\procesul arderii, presiunea maxim i momentul atingerii acesteia, adic asupra parametrilor caracteristici ai ciclului ic, p i 8. De aceea, legea de debitare a combustibilului poate s influeneze asupra valorii presiunii medii indicate i randamentului indicat. Astfel, n cazul unei viteze mari de debitare a combustibilului la nceputul injeciei se mrete randamentul indicat, viteza de cretere a presiunii i presiunea maxim de ardere p z. In cazul unor debite mari de combustibil pe ciclu, prin corelarea gradului de cretere a presiunii n i gradului de destindere prealabil p, se poate mri presiunea medie indicat prin mrirea presiunii maxime p z, vitezei de cretere a presiunii i randamentului indicat.

Apelndu-se la unele tehnici, prin care se micoreaz ntrzierea la autoaprindere, cum ar fi nclzirea pn la 100-150 C, sau de eliminare complet a acesteia prin nclzirea combustibilului aflat sub presiune ridicat pn la 550 - 650 C, se poate asigura o conducere riguroas a desfurrii ciclului prin intermediul legii de debitare a combustibilului n vederea obinerii valorilor dorite pentru presiunea medie indicat i pentru randamentul indicat, fr implicaii nefavorabile asupra gradientului de cretere a presiunii maxime de ardere i durabilitii pieselor mecanismului motor.

Influena dozajului asupra parametrilor indicai ai motorului se poate analiza pe baza ecuaiilor (1.17) i (1.18) n care intr mrimile M j i M ig, care depind de coeficientul de exces de aer A.

n realitate, dependena vitezei normale de ardere de coeficientul de exces de aer A, pentru amestec omogen, este de forma prezentat n figura 1.5.

Prin urmare, la M.A.S. randamentul indicat crete cu mrirea coeficientului de exces de aer numai pn la valorile max = 1,05-1,15,

dup cum se arat n figura 1.6 prin mrirea n continuare a coeficientului de exces de aer X viteza de ardere la M.A.S. se micoreaz foarte repede, arderea se sfrete prea trziu, cantitatea de cldur transferat prin pereii cilindrului se mrete datorit mririi suprafeei cu care gazele vin n contact i arderea ceva mai complet a combustibilului nu compenseaz pierderile termice mrite.

Fig. 1.6. Variaia presiunii medii Fig. 1.5. Variaia vitezei normale indicate i randamentului indicat

de ardere n funcie de coeficientul n funcie de coeficientul de exces de exces de aer. de aer X la M.A.S.

La M.A.C. viteza de ardere a amestecului are o dependen mai puin pronunat de coeficientul de exces de aer datorit neomogenitii pronunate a amestecului att n volumul camerei de ardere, ct i n timp, precum i datorit faptului c acelai grad de desvrire a arderii se atinge la M.A.C. la valori ale coeficientului de exces de aer X mult mai mari dect la M.A.S. De aceea, randamentul indicat crete la M.A.C. pn la Xtfmax - 2,8-3,5 n cazul camerelor unitare i pn la X^ max = 5-6 n cazul camerelor compartimentate, dup care ncepe s scad. n cazul camerelor unitare splarea cilindrului de gaze arse este mai bun, n timp ce n cazul camerelor compartimentate este necesar un coeficient de exces de aer mult mai mare pentru diluarea mai pronunat a gazelor arse rmase n compartimentul din chiulas, ceea ce explic diferenele dintre valorile coeficienilor de exces de aer la care se ating randamentele indicate maxime la cele dou tipuri de motoare.

Influena unghiului de avans la aprindere i de avans la injecie a combustibilului se poate analiza pe caracteristica de reglaj n funcie de unghiul de avans la aprindere, respectiv de avans la injecie prezentat n figura 1.7.

Prin variaia unghiului 6, dintre toi parametrii cuprini n ecuaiile (1.12) i (1.13), respectiv (1.17) i (1.18) se pot modifica ntr-o oarecare msur numai Tk i 1JV ca rezultat al modificrii nclzirii ncrcturii de la pereii cilindrului i chiulasei, ceea ce face ca 77, i p, s varieze dup curbe echidistante. La unghiul optim de avans 9op, se obin valorile maxime pentru Tji i p^ Unghiul 0op, va fi diferit pentru diverse regimuri de funcionare. Astfel, cu mrirea sarcinii la M.A..S se micoreaz perioada de ntrziere la aprindere i crete viteza de propagare a frontului de flacr datorit nclzirii mai puternice a amestecului i scderii concentraiei gazelor reziduale n amestec.

De aceea, 6opt scade cu creterea sarcinii, dup cum se prezint n figura 1.7.

Prin mrirea turaiei arborelui cotit se mrete temperatura ncrcturii proaspete datorit creterii exponentului politropic de comprimare creterii temperaturii n camera de ardere. n consecin se micoreaz perioada de ntrziere la aprindere i se mrete viteza de ardere.

Cu toate acestea, datorit micorrii timpului disponibil efectiv pentru arderea combustibilului apare necesitatea mririi unghiului de avans la creterea turaiei n, deci 6opt va avea o dependen de turaie ca n figura 1.9.

La M.A.C. cu creterea sarcinii, se mrete 0opt deoarece debitele mrite de combustibil pe ciclu reclam un timp mai ndelungat de debitare, iar regimul termic al motorului, respectiv temperatura pereilor camerei de ardere, permit realizarea autoaprinderii cu ntrziere mic la presiuni i temperaturi mai mici ale aerului n cursa de compresie.

P'%

Fig. 1.7. Caracteristica de reglaj n funcie de unghiul de avans la aprindere, respectiv de avans la

injecie.

Fig. 1.8. Variaia unghiului optim de avans n funcie de sarcin la

M.A.S.

La sarcini mici sunt necesare avansuri de injecie mai mici, pentru ca presiunile i temperaturile aerului comprimat n momentul injeciei s fie mai ridicate i s se compenseze scderea temperaturii pieselor camerei de ardere datorit unor doze de mai mici de combustibil pe ciclu.

Prin urmare, variaia unghiului optim de avans la injecie, n funcie de sarcin, va fi de forma celei reprezentate n figura 1.10, iar variaia aceluiai unghi n funcie de turaie va fi de forma celei din

figura 1.11.Explicaia const n faptul c la turaii mari timpul disponibil

pentru injectarea combustibilului este redus i apare necesitatea unui avans mai mare la injecie. Turaiile mai mari asigur presiuni mai mari de injecie, pulverizare mai bun i condiii mai bune de autoaprindere i de ardere.

Fig. 1.9. Variaia unghiului optim de avans n funcie de

turatie la M.A.S.

funcie de unghiul de avans la injecie, la turaie constant pentru M.A.C.

Fig. 1.11 .Caracteristicile de reglaj n funcie de unghiul de avans la

injecie, la sarcin constant.

La turaii mici pulverizarea este mai puin satisfctoare i pentru asigurarea unei perioade mici de ntrziere la autoaprindere trebuie ca injecia s se fac la un unghi de avans mai mic, respectiv mai aproape de punctul mort superior. n plus, trebuie s se aib n vedere faptul c turbionarea ncrcturii n camera de ardere depinde de turaie i are un rol determinant n formarea amestecului i realizarea condiiilor necesare autoaprinderii.

1.3.4. Influena factorilor de exploatare

1.3.4.1. Influena condiiilor de admisie i evacuare

Presiunea la sfritul umplerii p a, care la rndul su depinde de presiunea atmosferic, respectiv de presiunea de supraalimentare p k, influeneaz hotrtor asupra valorii presiunii p it ceea ce face ca lucrrile de modernizare a motoarelor s fie orientate n mare msur spre micorarea pierderilor la schimbul de gaze i spre supraalimentare acustic, cu compresor acionat mecanic sau cu turbosulfant.

Presiunea medie indicat /?, depinde att de presiunea de supraalimentare p k ct i de raportul p k/Tk, care determin densitatea ncrcturii proaspete la sfritul admisiei.

Mrimile de starep k i Tk influeneaz asupra presiunii medii indicate P i , att indirect, prin masa ncrcturii din cilindri, ct i direct, deoarece determin concentraia substanelor din camera de ardere, ce particip la reaciile de ardere, temperatura i presiunea la care se desfoar procesele de formare a amestecului i ale primelor faze ale arderii.

Admisia la M.A.S. La M.A.S. mrirea temperaturii Tk i presiunii p k accelereaz procesele reaciilor de ardere n amestecul nears, ceea ce mrete probabilitatea apariiei detonaiei. De aceea, utilizarea supraalimentrii la aceste motoare este dependent de cifra octanic a combustibilului. Randamentul indicat al acestor motoare crete cu mrirea parametrilor p k i Tk pn la apariia detonaiei. Din aceast cauz la motoarele moderne supraalimentate se utilizeaz senzori de detonaie care comand devierea unei pri din gazele arse spre atmosfer, ocolind turbina i micornd n acest fel mrimile de stare a aerului livrat de compresor p k i Tk. n alte situaii se comand prin intermediul senzorului de detonaie modificarea unghiului de avans la aprindere pentru prevenirea arderii detonante.

Prin utilizarea supraalimentrii la M.A.S. se poate menine puterea nominal a motorului n cazul funcionrii acestuia la altitudini mari sau la variaii importante ale presiunii atmosferice.

n general, prin utilizarea supraalimentrii controlate prin intermediul senzorilor de detonaie, senzorilor pentru emisiile poluante, senzorilor de temperatur i prin reglaje comandate cu calculatorul de bord, motoarele cu injecie de benzin supraalimentate lucreaz cu randamente indicate nalte i dezvolt presiuni medii indicate la nivelul maxim permis de limita de detonaie, avnd o nalt economicitate i caracteristici antipoluante

superioare. Trebuie ns dezvoltate n continuare cercetri pentru a se elucida influena supraalimentrii la M.A.S. i a funcionrii acestuia la limita de detonaie asupra concentraiei de hidrocarburi aromatice policiclice, dintre care unele au un puternic efect cancerigen.

Evacuarea la M.A.S. Prezint un deosebit interes cercetarea condiiilor de evacuare, mai ales la motoarele de mare turaie, cum sunt cele destinate vehiculelor uoare i motocicletelor. Spre exemplu, motoarele n patru timpi pentru motociclete i vehicule uoare au atins puteri de 114 kW la o cilindree total de 250 cm3, n timp ce la motoarele obinuite s-au atins 93,5 kW la 1000 cm3. Dar la aceste motoare de nalt turaie apar dificulti n asigurarea concomitent a stabilitii funcionrii motorului la turaiile de mers n gol i a unor parametri indicai foarte ridicai la regimurile turaiilor medii.

Fig. 1.12. Sistem de evacuare cu Fig. 1.13. Sistem de evacuare cu conducte de comunicare ntre clapeta de obturare naintea tobei

conductele de evacuare. de eapament.

La majoritatea motoarelor n patru timpi de nalt turaie, aceast problem se rezolv prin modificarea construciei sistemului de evacuare. n general, se monteaz ntre conductele de evacuare, conducte de comunicaie, cum se arat n figura 1.12, sau se monteaz naintea tobei de eapament o clapet mobil, figura 1.13, ceea ce permite mbuntirea caracteristicilor energetice ale motorului la turaii mari. Cercetrile efectuate n Japonia de Firma Yamaha au condus la perfecionarea sistemului de evacuare prin gsirea gradului optim de obturare a evacurii pentru diferite turaii, livrndu-se sistemul de evacuare pentru motorul simbolizat FZR 400 R, motor cu aprindere prin scnteie cu 4 cilindri n linie, n patru timpi, rcit cu lichid, de 339 cm3 capacitate cilindric.

Motorul dezvolt puterea de 37,8 kW la turaia de 12000 miri , un cuplu de 38,3 N m la turaia de 9500 'miri1 i are un consum specific de combustibil de 382 g/kWor la turaia de 8000 miri .

Datorit turaiilor mari s-a apelat la urmtoarele unghiuri de avans i ntrziere la deschiderea i nchiderea supapelor:la admisie deschiderea cu 35"RAC nainte de p.m.s. i nchiderea cu 61 RAC dup p.m.i., iar la evacuare avansul la deschidere este de 61 RAC fa de p.m.i. i ntrziere la nchidere de 2TRAC dup p.m.s. Tot din cauza luraiilor mari s-au prevzut dou supape de admisie pe cilindru cu diametrul de 22 mm i ridicarea de 7,3 mm i dou supape de evacuare cu diametrul de 19 mm i ridicarea de 7 mm. Raportul S/D este de 40,5/56,0 camera de ardere este sub form de acoperi, s-au prevzut doi arbori cu came n chiulas acionai prin curea dinat. Turaia de mers n gol este de 1200 miri'.

La motoarele de turaii mari se lucreaz cu suprapuneri mari ale deschiderii supapelor de admisie i evacuare.

n aceast perioad de suprapunere a deschiderii supapelor, cnd undele de presiune sosite la supapele de evacuare au valori pozitive (de comprimare), presiunea din cilindru crete i mpiedic ptrunderea normal a ncrcturii proaspete n camera de ardere.

D --------- M,Adm

| \ A a - - n /l t

A

4

21........ 2 3 4 5 6 7 9 10 111213 n [min ]

Fig.1.14. Oscilaiile de presiune la supapa de evacuare.

Ca rezultat se reduce coeficientul de umplere T]v, se mrete cantitatea de gaze reziduale care nrutesc condiiile de ardere a amestecului i ca urmare se nrutesc parametrii energetici indicai ai motorului.

Fig. 1.15. Modelul de simulare i variaia coeficientului de umplere

n funcie de turaie, la diferite grade de obturare la evacuare.

Lungimea conductei de evacuare se calculeaz n aa fel ca ntr-un anumit diapazon al turaiilor n fenomenele ondulatorii din conducta de evacuare s asigure realizarea unei depresiuni dup supapa de evacuare (unda de presiune negativ primar), n perioada de suprapunere a deschiderii supapelor, provocnd o cretere corespunztoare sau o scdere a cuplului M e, cum se arat n figura 1.14.

In acest grafic se arat influena proceselor ondulatorii din conducta de evacuare asupra mrimii cuplului M e, la diferite turaii n, n perioada suprapunerii deschiderii supapelor, unde cu A, B, C, D s-au notat mrimile turaiilor n i de asemenea punctele de pe curba M e care corespund fazelor determinate de procesele ondulatorii.

S-a notat cu 1 - unda de presiune negativ primar din conducta de evacuare a oscilaiilor de presiune p n funcie de timpul t reprezentat n stnga graficului (Adm-admisie, Ev-evacuare) reprezentnd deschiderile supapelor de admisie i evacuare; 2 - unda de presiune pozitiv primar; 3 - unda de presiune negativ secundar; 4 - unda de presiune pozitiv secundar; 5 - unda de presiune negativ teriar.

Prin urmare apare problema dependenei coeficientului de umplere Tjy de procesele ondulatorii din conducta de evacuare n timpul suprapunerii deschiderii supapelor.

Pentru rezolvarea acestei probleme s-a propus utilizarea conductelor de evacuare cu clapet de reglare pentru obturarea sa n funcie de turaia n a motorului.

n figura 1.15 se prezint modelul de simulare i graficul de variaie a valorilor calculate pentru coeficientul de umplere 7]v [%] n funcie de variaia motorului n [m in1] pentru motorul cu patru cilindri, la variaia gradului de obturare de la 1,0 la 0,3. Se reflect aceeai tendin ca i la motorul monocilindric.

Din grafic se vede c turaia gradului de obturare poate s influeneze asupra proceselor ondulatorii din sistemul de evacuare i n acest fel s se mreasc coeficientul de umplere T]v. Se vede, de asemenea, c valoarea optim a gradului de obturare depinde de turaia n.

Prin calcul a fost determinat i poziia optim pentru dispunerea clapetei de obturare la captul conductei de evacuare.

Dup cum au artat calculele prealabile, obturarea permite s se elimine scderile cuplului M e la turaiile de 3000 m in 1 i 6500 m in 1. Rezultatele calculelor au fost verificate pe motorul real.

n figura 1.16 se prezint variaia cuplului M e n funcie de turaia n pentru diferite grade de obturare la motorul real.

0,2 0,4 0,6 0,8 Gradul de obturare

Fig. 1.17. Variaia cuplului n funcie de gradul de obturare a

evacurii la diferite turaii.

5 6 7 8 9 10 111213x10-' n [ruin1]

Fig. 1.16. Variaia cuplului n funcie de turaie la diferite grade

de obturare a evacurii.

n figura 1.17 se prezint variaia cuplului M e n funcie de gradul de obturare a evacurii la turaiile de 5000, 7000, 8500 miri1.

Din grafic se vede c valoarea maxim a cuplului M e la fiecare regim de turaie corespunde unui anumit grad de obturare.

n figura 1.18 se prezint graficul gradului optim de obturare n funcie de turaia motorului n miri1 Gradul de obturare 1,0 d cele mai bune rezultate n diapazonul de turaii 4000 - 5000 miri1 i pentru n = 9000 m iri1, deoarece lungimea conductei de evacuare s-a calculat la valoarea optim a depresiunii n timpul suprapunerii deschiderii supapelor pentru turaia de 9000 miri1.

Pentru restul turaiilor valorile optime ale gradului de obturare se gsesc n diapazonul de la 0,2 la 0,7. Cu creterea turaiei aceste valori se mresc.

n graficul din figura 1.19 se prezint rezultatele obinute pentru patru clapete de obturare de diferite forme, la un grad de obturare de 0,5, constant, curbele de variaie a cuplului n funcie de turaie fiind notate dupj forma clapetei astfel: 1 - pentru plac inelar n orificiul conductei;2 - pentru plac semicircular; 3 - pentru plac circular nclinat; 4 - tub conic.

Dup cum se vede din grafic, forma obturatorului nu manifest o influen nsemnat asupra caracteristicii motorului.

Fig. 1.18. Variaia gradului optim Fig. 1.19. Variaia cuplului n funcie de obturare n funcie de turaie. de turaie pentru gradul de obturare

constant de 0,5 cu obturatoare de diferite forme.

A fost determinat gradul optim de obturare i pentru regimul de mers n gol, gsindu-se valoarea de 0 ,1 .

n figura 1.20 se prezint construcia sistemului de evacuare EXUP ncercat pe motorul FZR 400 R, unde s-a notat: 1 - conductele de evacuare;2 - clapeta de obturare mobil; 3 - colectorul; 4 - elementul de acionare; 5, 6, 7, 8 - poziiile obturatorului corespunztoare pentru mersul n gol, turaii mici, medii i mari. Obturatorul n form de secer se monteaz n colector n aa fel nct s obtureze simultan toate cele patru conducte de evacuare de la cilindri.

Gradul de obturare la regimul de mers n gol este de 0,1 pentru acest motor. Cu mrirea turaiei obturarea se reduce i la n = 9000 m in 1 clapeta este complet deschis, respectiv gradul de obturare este 1 .

Reglarea poziiei clapetei de obturare se realizeaz cu ajutorul unui microcalculator, care dup semnalul senzorului de turaie d comanda la servomotorul de acionare a clapetei de obturare. Temperatura gazelor de evacuare la deschiderea maxim a clapetei atinge 700 C, ceea ce impune executarea pieselor sistemului EXUP din materiale cu rezisten mare i stabilitate a caracteristicilor la asemenea temperaturi.

n figura 1.21 se prezint variaia cuplului M e pe caracteristica de turaie a motorului far sistemul de evacuare EXUP -1 i cu acest sistem-2

Micorarea descreterii cuplului la turaiile de 3000 m in 1 i 6500 m in 1 a fost de 30-40 %. La regimul de mers n gol i la turaiile mici s- au msurat concentraiile de hidrocarburi n gazele de evacuare.

Rezultatele msurtorilor au artat c folosind sistemul EXUP n mu redus concentraiile de CH cu 20-30 %. S-a redus i consumul dei ombustibil la aceste regimuri, iar funcionarea la mers n gol a fost mult nmi stabil. Neuniformitatea turaiei la mersul n gol (1200 m iri') a sczut t u 40-50 %.

Aplicarea sistemului de evacuare EXUP a condus, de asemenea, la coborrea nivelului zgomotului cu 4-5 Db.

M.m100

80

60

40

20

1 c

/ X * V a' /

/ A / B ^

Fig. 1.20. Construcia sistemului de evacuare EXUP.

0 20 40 60 80 100 n.%

Fig. 1.21. Variaia cuplului n funcie de turaia motorului:

1 - neechipat cu sistemul de obturare; 2 - echipat cu sistemul de

obturare a evacurii.Admisia i evacuarea la M.A.C. La M.A.C. mrirea parametrilor

lk !?' Tk permite totdeauna mrirea randamentului indicat i a presiunii medii indicate, dac prin mrirea debitului de combustibil nu se micoreaz coeficientul de exces de aer A.

Rcirea aerului de supraalimentare dup compresor nu nrutete auloaprinderea la sarcini mari, deoarece temperatura pereilor camerei de ardere asigur nclzirea necesar a aerului din camer.

Creterea suplimentar a randamentului indicat prin upraalimentare permite i mrirea coeficientului de exces de aer cu

creterea presiunii p k la altitudini mari.Mrirea contrapresiunii p r la evacuare din cauza turbosulfantei, a

ncutralizatorilor pentru substanele poluante i a amortizorului de zgomot, micoreaz coeficientul de umplere din cauza mririi pierderilor Ia Nchimbarea gazelor i mririi cantitii de gaze reziduale din cilindri. De aceea, mrirea presiuniip r este nsoit totdeauna de micorarea parametrii) indicai /?, i Tfr, aprnd micorri pronunate, mai ales, la niponi te p jp r < 1,3 la M.A.C. n patru timpi i p j p r < 1,2 la M.A.C. n doi timpi

I.3.4.2. Influena sarcinii i turaiei

La M.A.S. posibilitatea reglrii sarcinii prin modificarea dozajului este limitat de graniele aprinderii amestecurilor omogene la dozaje foarte srace sau foarte bogate. De aceea, reglarea se realizeaz prin modificarea cantitii de amestec care arde pe un ciclu, cu ajutorul clapetei de acceleraie prevzut n sistemul de admisie.

Experienele efectuate n bombe i pe motoare au artat c la mrirea cantitii de amestec aspirat pe un ciclu trebuie s se mreasc coeficientul de exces de aer pentru ridicarea eficienei arderii i pentru realizarea unei arderi ct mai complete. ns pentru obinerea puterii maxime la deschiderea complet a clapetei de acceleraie este nevoie s se utilizeze amestecuri mai bogate, respectiv cele pentru care se dezvolt cele mai mari viteze de ardere U i cele mai mari presiuni medii indicate. De aceea, la puteri de 80-90 % din puterea nominal se trece la utilizarea de amestecuri cu coeficieni de exces de aer de valori apropiate de cele la care se obine puterea maxim, respectiv p max.

Folosirea acestor fenomene pentru mrirea eficienei i economicitii motoarelor prin modificarea dozajului rezult foarte bine din variaia parametrilor indicai i coeficientului de exces de aer n funcie de sarcin prezentat n figura 1.22. Din grafic se vede c randamentul indicat crete la nceput cu creterea sarcinii datorit mririi coeficientului de exces de aer A, datorit mbuntirii pulverizrii combustibilului, mririi temperaturii amestecului i micorrii ponderii gazelor reziduale n amestecul din cilindru. Apoi, dup atingerea unei valori maxime a randamentului indicat, datorit nceperii mbogirii amestecului pentru dezvoltarea puterii maxime, randamentul indicat ncepe s scad, iar presiunea medie indicat se mrete n continuare datorit mririi vitezei de ardere.

La M .A.C. mrirea sarcinii se realizeaz prin mrirea debitului de combustibil pe ciclu, care este nsoit de micorarea coeficientului de exces de aer, influena cruia asupra randamentului indicat a fost prezentat mai nainte. Trebuie menionat c scderea randamentului indicat nu este proporional cu micorarea coeficientului de exces de aer , deoarece mrirea debitului de combustibil pe ciclu, de regul, este nsoit de mbuntirea pulverizrii ^combustibilului i mrirea temperaturii ncrcturii proaspete printr-o nclzire mai pronunat de la pereii camerei de ardere, ceea ce influeneaz pozitiv asupra procesului de formare a amestecului i asupra arderii.

Prin mrirea turaiei Ia M.A.S. randamentul indicat se mrete pn la turaiile n = (0 ,6 - 0 ,8 ) n, la deschiderea complet a clapetei de acceleraie, datorit mbuntirii formrii amestecului, micorrii pierderilor de cldur prin pereii cilindrului, reducerii pierderilor de gaze prin sistemul de etanare cu segmeni, precum i datorit mririi coeficientului de exces de aer . Apoi randamentul indicat ncepe s scad datorit reducerii timpului disponibil pentru ardere, cnd influenele favorabile ale factorilor menionai mai sus asupra arderii nceteaz s prevaleze asupra efectului micorrii timpului de ardere.

Aceste fenomene sunt ilustrate n figura 1.23.

11

Fig. 1.22. Variaia parametrilor Fig. 1.23. Variaia parametrilor indicai i coeficientului de exces indicai, coeficientului de umplere

de aer n funcie de sarcin. i coeficientului de exces de aer nfuncie de turaie la M.A.S.

Presiunea medie indicat crete datorit mririi coeficientului de umplere i randamentului indicat pn la o turaie puin superioar celei la care se realizeaz cel mai mare coeficient de umplere T]v.

La M.A.C., cu mrirea turaiei, toi factorii enumerai mai sus influeneaz la fel ca la M.A.S. Deosebirea const doar n faptul c modificarea dozajului este caracterizat printr-o cretere mai puin pronunat a coeficientului de exces de aer cu creterea turaiei, ceea ce se explic prin micorarea scurgerilor de combustibil prin jocurile dintre clementele aparaturii de injecie datorit timpului mai mic de curgere a combustibilului prin jocurile respective. Drept rezultat, coeficientul de exces dc aer scade n general la creterea turaiei, dac nu se corecteaz debitul de combustibil pe ciclu, ceea ce poate s conduc la ncetinirea creterii randamentului indicat 77,-, sau chiar la scderea acestuia.

Coeficientul de umplere la M.A.C. variaz n funcie de turaie dup o curb foarte aplatisat n comparaie cu cea la M.A.S. Din acest motiv i presiunea medie indicat /?,- variaz n limite restrnse n funcie de turaie i atinge valoarea maxim la valori mai mari ale turaiei.

1.4. Perfecionarea formrii amestecului i arderii n scopul reducerii consumului de combustibil i concentraiei substanelor poluante

1.4.1. Direciile de perfecionare a proceselor la M.A.S. pentru mbuntirea economicitii i caracteristicilor ecologice

Orientri generale. Studiul naturii i mecanismelor formrii substanelor poluante permite s se clarifice direciile i principiile pe care trebuie s se bazeze interveniile asupra procesului de ardere n vederea micorrii concentraiei substanelor toxice din gazele de evacuare. Avnd n vedere i limitele resurselor de combustibili disponibili, n prezent se poate considera c trebuie alese acele mijloace de aciune care permit i evitarea creterii consumului de combustibil, sau chiar s se realizeze reducerea acestuia.

La M.A.S. se apeleaz la urmtoarele mijloace dc intervenie asupra formrii amestecului i arderii care asigur scderea concentraiei de CO i CH i reducerea consumului de combustibil:

- se intensific turbionarea amestecului n camera de ardere i se mrete durata i puterea scnteii electrice pentru lrgirea domeniilor regimurilor de funcionare a motorului cu amestecuri srace;

- se mbuntete pulverizarea combustibilului i vaporizarea acestuia prin perfecionarea carburatorului n aa fel nct s se asigure un amestec omogen, de dozajul dorit, la toate regimurile de funcionare, inclusiv la regimurile tranzitorii i la mersul n gol forat;

- se utilizeaz carburatoare cu mai multe camere, se intensific turbionarea i nclzirea amestecului n conducta de admisie, ceea ce permite diminuarea neuniformitii dozajului pe cilindri i meninerea unui dozaj optim sau apropiat de acesta la toi cilindrii;

- se mrete temperatura pereilor camerei de ardere i se micoreaz suprafaa acesteia pentru a micora volumul de amestec din straturile n care se stinge flacra pe perei i, ca urmare, s se reduc emisiile de hidrocarburi.

Coborrea temperaturii maxime de ardere se realizeaz la funcionarea motorului cu amestecuri foarte bogate sau foarte srace (> 1,3) i, de asemenea, la micorarea unghiului de avans la aprindere.

i prin reciclarea gazelor arse (10-15 % n raport cu volumul ncrcturii proaspete) se asigur reducerea temperaturii maxime a ciclului, deoarece se micoreaz masa de ncrctur proaspt i, prin urmare, ofildura rezultat din arderea combustibilului. ns din cauza dilurii amestecului cu produse inerte de ardere se ncetinesc reaciile de oxidare a combustibilului i se poate mri durata arderii. Aceeai influen o manifest C.azele reziduale, masa crora se poate mri printr-o reglare corespunztoareii fazelor de distribuie. Un efect similar se observ i n cazul adaosului de ap (emulsii de combustibil i ap) sau la adaos de amoniac.

Srcirea amestecului permite scderea concentraiei de oxizi de azot i oxid de carbon, fr a provoca mrirea concentraiei de hidrocarburi, asigurnd n acelai timp micorarea consumului de combustibil, ceea ce lace ca acest procedeu s aib mari perspective n modernizarea M.A.S. - lor.

La motoarele cu camer de ardere obinuit limitele domeniilor de funcionare stabil a motorului cu amestecuri srace sunt determinate de apariia surselor de autoaprindere la coeficieni de exces de aer A > 1 ,2 , iar consumul minim de combustibil, la funcionarea motorului cu sarcini medii, se obine la valori mai mici ale coeficientului de exces de aer, respectiv A.= 1 ,0 5 -1 ,1 5 .

Pentru uurarea aprinderii i mbuntirea arderii amestecurilor srace se poate apela la formarea amestecurilor stratificate, fie n camera unitar, fie utiliznd o camer mic pentru amestecul bogat, iar camera principal clin cilindru fiind rezervat amestecurilor srace. Aprinderea de la bujie se realizeaz n zona amestecului bogat din camera unitar sau n camera separat de volum mic i cu amestec bogat, din care jetul de flacr trece n camera principal i aprinde amestecul srac.

Funcionarea stabil a motorului cu amestecuri srace se poate asigura prin mrirea intensitii turbionrii n camera de ardere, ceea ce rezult din figura 1.24 .

Srcirea amestecului este raional pn la limitele corespunztoare consumului minim de combustibil, respectiv n intervalul A -1 ,1 -1 ,4 la regimuri staionare de funcionare. Concomitent se obin i concentraii sczute la toate substanele poluate, respectiv NO CO i CH.

Limitele detonaiei la funcionarea motorului cu amestecuri srace (curbele 2 din fig. 1.24), n condiiile intensificrii turbionrii ncrcturii, se deplaseaz n zonele cu rapoarte de comprimare mai mari.

n aceste zone variaia coeficientului de exces de aer se lrgete pentru = 1 2 la 1 ,2 < 2 < 1,8 .

Prin turbionare nu se modific limitele arderii amestecurilor bogate (curba 3 din fig. 1.31), dar se mrete raportul de comprimare limitat de detonaie chiar la amestecuri teoretice. Modelele experimentale de motoare cu e = 12 au funcionat fr detonaie sau autoaprindere cu benzina cu C093, la sarcini medii, cu coeficieni de exces de aer A =1,4 .

0,5 1,0 1,5 XFig. 1.24. Domeniile de

funcionare stabil a motorului n funcie de dozaj: 1 limitele

apariiei detonaiei; 2 - limitele arderii amestecurilor srace;

3 - limitele arderii amestecurilor bogate.

Fig. 1.25. Variaia coeficientului de umplere al

gazelor reziduale n funcie de sarcin la M.A.S.

La aceste regimuri de sarcini medii motorul lucreaz vreme ndelungat n exploatare, n condiii nefavorabile de formare a amestecului i de ardere. Pe msura nchiderii clapetei de acceleraie se mrete coeficientul gazelor reziduale dup cum se vede n figura 1.25, adic se dilueaz mai mult ncrctura proaspt cu gaze inerte, ceea ce fac s scad viteza de ardere i s creasc durata arderii, respectiv s se nruteasc aprinderea amestecului de la scnteie.

La regimurile de sarcini mici i la mersul n gol, influena negativ a gazelor reziduale se amplific din cauza scderii presiunii din cilindru la deschideri mici ale clapetei de acceleraie. Din acest motiv, pentru a se asigura o aprindere garantat i o ardere satisfctoare a combustibilului, se apeleaz la o mbogire pronunat a amestecului. Coeficientul de exces de aer se micoreaz pn la 0,75-0,85, ceea ce este nefavorabil sub toate aspectele, deoarece din cauza arderii incomplete crete att consumul specific de combustibil, ct i emisiile poluante de CO i CH.

Prin intensificarea turbionarii ncrcturii se asigur la sarcini mici aprinderea stabil i arderea amestecurilor de dozaj apropiat de cel teoretic (r= 1), ceea ce conduce la importante scderi ale consumului de combustibil n exploatare i la micorarea concentraiei de substane toxice n gazele de evacuare.

Mrirea intensitii turbionarii ncrcturii proaspete se aplic n combinaie cu alte msuri care mbuntesc funcionarea motorului, ca perfecionarea carburatorului, sistemului de aprindere, optimizarea reglrii dozajului i aprinderii la toate regimurile etc.

Micarea turbulent a ncrcturii se realizeaz n procesul umplerii i ca rezultat al curgerii ncrcturii dintr-un spaiu n altul al camerei de ardere la deplasarea pistonului.

Mrirea intensitii turbionarii ncrcturii se asigur prin aplicarea unor canale de admisie tangeniale sau n spiral (analog ca la M.A.C. cu injecie direct), sau prin prevederea unor proeminene de turbionare n canalele de admisie.

Un efect nsemnat asigur configuraia capului pistonului i a suprafeei chiulasei ce delimiteaz camera de ardere, care prin combinarea raional a proeminenelor i adnciturilor provoac micarea ncrcturii n camer pe timpul cursei de comprimare.

Reglarea turbionrii la admisie. O soluie interesant de reglare a turbionrii amestecului la admisie este conceput de Firma FORD din RFG pentru motorul automobilului ELTEC. Reglarea se realizeaz prin montarea unei clapete de reglare a turbionrii la una din cele dou supape de admisie prevzute pentru fiecare cilindru, dup cum se arat n figura 1.26, a, unde cu 1 s-a notat clapeta de aer a celui de al doilea canal de admisie; 2 - clapeta de reglare a turbionrii la primul traseu de admisie i 3 - evacuarea.

Intensitatea turbionrii amestecului de ctre clapet este proporional cu nclinaia relativ a clapetei fa de peretele conductei.

Clapeta 2 este acionat pneumatic printr-un element de execuie care utilizeaz depresiunea din conducta de admisie de dup clapeta de acceleraie, de care, printr-o supap electromagnetic se leag camera elementului de execuie.

Printr-o alt supap electromagnetic aceast camer se leag cu atmosfera.

La sarcini ale motorului pn la 75 % clapeta 1 deschide complet seciunea de trecere prin canalul secundar de admisie, iar seciunea primului traseu de admisie se modific de ctre clapeta de turbionare 2 .

Fig. 1.26. Schema sistemului de schimb de gaze (a) i caracteristica de turaie (b) a motorului cu reglarea turbionrii prin dou canale de admisie

rezonante.La sarcini mai mari seciunea de trecere a primului traseu este

maxim, iar la al doilea traseu seciunea se regleaz cu clapeta 1.Ambele trasee de admisie sunt rezonante i de aceea conductele

lor se execut cu lungimi diferite. Conducta de admisie de pe primul traseu are lungimea mai mare i rezervor de rezonan, fiind calculat pentru umplerea maxim a cilindrului la turaii mai mici, iar conducta celui de al doilea traseu este de dou ori mai scurt i dimensiunile sale geometrice, mpreun cu rezonatorul, se aleg din condiia obinerii umplerii maxime la turaii ridicate. Prin aceste combinaii de conducte se asigur mrirea momentului M e ntr-un diapazon larg de turaii, dup cum se vede din caracteristica de turaie prezentat n figura 1.26, b. n aceast figur s-a reprezentat variaia puterii i cuplului n funcie de turaie i s-a notat cu1 - variaia momentului M e la umplerea prin conducte de admisie scurte;2 - variaia momentului la umplerea prin conducte de admisie lungi;3 - variaia momentului cu ambele conducte de admisie, dar de lungimi inegale.

Suprafaa haurat reprezint mrirea momentului M e datorit utilizrii conductelor de admisie cu lungimi diferite.

Utilizarea amestecurilor srace i a rapoartelor mari de comprimare. Un alt experiment interesant pentru realizarea unui motor cu raport mare de comprimare i turbionare intens a ncrcturii pentru utilizarea amestecurilor srace a fost ntreprins n Austria de ctre Institutul de Cercetri tiinifice AVL.

Cercetrile au fost ncepute pe un motor monocilindric AVL-H CLB a crui camer de ardere se prezint n figura 1.27. S-a lucrat iniial cu D - 85 mm, S - 94 mm, = 11-13, cu injecie de benzin n canalul de

admisie i sistem de aprindere tranzistorizat. Au fost supui optimizrii urmtorii parametri: raportul de comprimare, turbionarea la admisie, jocul dintre chiulas i piston n p.m.s. (nlimea de expulzare a ncrcturii pentru turbionare), forma camerei, dispunerea sa n piston i diametrul (d) al acesteia, dispunerea bujiei, mrirea raportului S/D.

Gradul de rsucire a ncrcturii la admisie a fost ales ca medie ntre valorile optime pentru regimurile sarcinilor pariale i pentru regimurile sarcinii totale.

La sarcini pariale mrirea raportului de vrtej pn la 2 ,0 , intensific arderea, micorndu-i durata cu 30 % pentru X > 1,4, lrgete limita srcirii eficiente a amestecului prin reducerea dispersiei ciclurilor (instabilitii). Aceasta este ilustrat n figura 1.28, unde se prezint caracteristicile de reglaj dup dozaj pentru emisiile specifice de hidrocarburi CH [ppm], n graficul de sus, pentru insta