E.M.M.A.I. 2009

1

MOTOARE CU RAPORT DE COMPRIMARE VARIABIL

SOLUŢIA TEHNICĂ SAAB Saab a prezentat recent două noi concepte pentru motorul cu injecţie directă

de benzină: motorul cu raport de comprimare variabil SVC (Saab Variable

Compression) şi sistemul Saab de control al procesului de ardere SCC (Saab

Combustion Control). Motorul SVC asigură o reducere a consumului de combustibil

de aproximativ 20% faţă de motorul cu aspiraţie naturală, la performanţe egale, prin

reducerea considerabilă a cilindreei, supraalimentare şi raport de comprimare

variabil (RCV). Sistemul SCC asigură o reducere a consumului de aproximativ 10%

prin îmbunătăţirea procesului de schimbare a gazelor. Cele două concepte nu pot fi

valorificate decât împreună, astfel încât reducerea de consum este de aproape 30%.

Conceptul SVC constituie un pas înainte în direcţia reducerii cilindreei

motorului în raport cu soluţia tubo-supraalimentării. Funcţionarea la sarcini specifice

mai mari a motorului SVC (cilindree de 1,6 l faţă de 3,0 l la motorul cu aspiraţie

naturală) impune utilizarea unor rapoarte de comprimare mai mici (8:1) pentru a evita

detonaţia şi fluctuaţiile inacceptabile ale presiunii medii indicate. Funcţionarea, însă,

la sarcini parţiale, cele mai frecvente în utilizarea automobilului, cu raport fix de

comprimare (8:1) ar avea un impact negativ asupra consumului de combustibil. De

aceea sistemul de variere a raportului de comprimare de la motorul SVC permite

varierea continuă a acestuia de la 8:1 la 14:1 în circa 0,2 secunde. Valorile mari se

utilizează în domeniul sarcinilor mici şi medii, îmbunătăţind astfel consumul. Partea

superioară, denumită ansamblul chiulasei, este formată din chiulasă, blocul cilindrilor

(partea cu cămăşile cilindrilor), camerele de ardere, supapele şi sistemul de

acţionare a acestora. Partea inferioară, asociată carterului, cuprinde ansamblul

arborelui cotit, bielele şi pistoanele. Ansamblul chiulasei, fiind articulat pe un arbore

de pivotare, poate fi înclinat cu până la 4 grade, faţă de ansamblul carterului, cu

ajutorul a 5 biele metalice comandate de un excentric acţionat hidraulic, fig. 1.

E.M.M.A.I. 2009

2

Principiul sistemului de variere a raportului de comprimare este prezentat în

fig. 2.

O comparaţie între motorul SVC de 1,6 l şi cel aflat în producţia curentă

Saab 9-5 de 3,0 l, V6, evidenţiază reducerea de consum de combustibil obţinută în

ciclul NEDC, la aceleaşi performanţe.

Fig. 2. Motorul Saab cu raport de comprimare continuu variabil

O cerinţă importantă pe care trebuie s-o satisfacă acest motor se referă la

legislaţia de poluare, întrucât motorul funcţionează cu amestec stoichiometric şi

Fig. 1. Blocul cilindrilor împreuna cu mecanismul

de acţionare a ansamblului chiulasei.

E.M.M.A.I. 2009

3

TWC şi combustibil cu sulf este nevoie să se apeleze la EGR şi injecţie de aer

secundar - SAI (SecondaryAir Injectiori) în colectorul de evacuare. O problemă

importantă o constituie emisia ridicată de HC ca urmare a reduceri cilindreei unitare

(0,311), a reducerii postoxidării din colectorul de evacuare şi a raportului mare de

comprimare (14:1).

Motorul SVC funcţionează la pornirea la rece cu raport de comprimare

scăzut şi cu faza de ardere întârziată, pentru a reduce emisia de HC şi creşterea

temperaturii gazelor de evacuare, pentru a încălzi mai repede catalizatorul de

oxidare.

Pentru a asigura controlul arderii în conceptul SCC se utilizează mecanismul

CVCP (Continuously Variable Camshaft Phasers) de modificare a fazelor ambelor

came, admisiune şi evacuare (este vorba despre controlul duratei suprapunerii

deschiderii simultane a supapelor şi controlul momentelor de deschidere şi

închidere), injecţie de amestec aer + benzină şi distanţă variabilă între electrozii

bujiei. Bujia şi injectorul (care injectează amestec aer + combustibil sau numai aer)

sunt integrate în aceeaşi unitate denumită injectorul bujie - SPI (SparkPluglnjector).

Mecanismul CVCP este folosit pentru reducerea pierderilor de pompaj şi pentru a

dilua amestecul cu gaze reziduale.

Fig. 3. Performantele de consum de combustibil ale automobilului

Saab 9-5 echipat cu motorul modernizat (SCC+SVC).

E.M.M.A.I. 2009

4

Motorul Saab care funcţionează după conceptul SCC utilizează un înalt grad

de recirculare a gazelor de ardere şi amestec stoichiometric cu λ=1 (pentru a putea

utiliza catalizatorul tricomponent TWC) pentru a putea îndeplini normele cele mai

severe de poluare (ULEV II). Recircularea gazelor arse se face prin defazarea celor

doi arbori cu came. Comandate inteligent, supapele rămân deschise mult timp

înainte şi după PMI, injecţia efectuându-se chiar când supapele de evacuare şi

admisiune sunt deschise. Ele permit refularea gazelor arse prin cele 4 conducte (2

de admisiune şi 2 de evacuare) şi apoi reaspirarea lor în ciclul următor. Se asigură

amestecuri la care EGR ajunge până la 60-70%. Este cunoscut, însă, faptul că

diluarea accentuată a amestecului cu gaze reziduale înrăutăţeşte calitatea aprinderii.

Aceasta îşi găseşte rezolvarea în adoptarea unei bobine de inducţie de energie mare

(80 mJ) şi distanţă variabilă între electrozii bujiei (1 până la 4 mm), fig. 4.

Fig. 4. Sistemul Saab de control al arderii (SCC).

Fazele ciclului termic sunt ilustrate în fig. 5 după cum urmează:

Ardere/Destindere

1. Amestecul aer + benzină se consumă (arde). Temperatura şi presiunea

gazelor creşte astfel că în faza următoare pistonul este împins în cursa descendentă.

Evacuare

2. Supapele de evacuare se deschid atunci când pistonul este aproape de

PME. Cea mai mare parte a gazelor arse este evacuată prin orificiile de evacuare

datorită, în principal, diferenţei de presiune dintre cilindru şi colectorul de evacuare,

iar cealaltă parte, ca urmare a cursei ascendente a pistonului.

3. înainte ca pistonul să ajungă la PMI, benzina este injectată în cilindru de

către injectorul bujie, în timp ce supapele de admisiune se deschid. Gazele de ardere

E.M.M.A.I. 2009

5

amestecate cu benzina sunt refulate prin orificiile de evacuare şi de admisiune.

Timpul exact cât supapele sunt deschise simultan (şi deci cantitatea de gaze arse

care vor umple cilindrul în timpul arderii) este determinat de condiţiile de drum în

fiecare moment, regula generală fiind că întotdeauna această cantitate creşte la

scăderea sarcinii motorului şi invers, scade la creşterea sarcinii.

Admisiune

4. Pistonul execută cursa descendentă. Supapele de admisiune şi de

evacuare sunt deschise. Amestecul format din gazele de evacuare şi benzină este

reaspirat din orificiile de evacuare în cilindru. O mare parte din amestecul menţionat

este refulat prin orificiile de admisiune.

5. Pistonul continuă cursa descendentă. Supapele de evacuare se închid,

dar cele de admisiune rămân deschise şi partea de gaze de ardere refulate în

admisiune este reaspirată în cilindru.

6. Pistonul se apropie de PME. Amestecul de gaze arse şi benzină este

reaspirat în totalitate în cilindru şi, pe durata fazei finale a admisiunii, se aspiră aerul

proaspăt necesar arderii (14,6 părţi de aer pentru o parte benzină).

Comprimare

7. Supapele de admisiune se închid. Pistonul începe cursa ascendentă şi

comprimă amestecul format din gaze arse, benzină şi aer. Cam la jumătatea cursei

de comprimare (la 45 grade de rotaţie a arborelui cotit), înainte de declanşarea

Fig. 5. Fazele ciclului motorului Saab (SCC)

E.M.M.A.I. 2009

6

scânteii electrice, injectorul bujiei injectează o mica cantitate de aer pentru a crea o

turbulenta în cilindru în scopul facilitării arderii şi scurtării duratei ei.

8. Inainte ca pistonul să atingă PMI se declanşează scânteia la injectorul

bujie care aprinde amestecul aer + benzină şi procesul continuă cu fazele de ardere

şi destindere. Momentul precis al aprinderii este condiţionat de condiţiile de

funcţionare determinate de rezistenţele la înaintare.

Distanţa dintre electrozii bujiei este determinată de un electrod central fix şi

doi electrozi legaţi la masă. Unul dintre electrozii legaţi la masă este ataşat chiulasei

şi este denumit electrodul de masă lateral - SGE (Side Ground Electrode), situat la o

distanţă de 4 mm de electrodul central.

Mărimea potenţialului electric de străpungere a distanţei dintre electrozi

variază liniar cu distanţa dintre aceştia, raportul efectiv de comprimare şi masa de

gaz din cilindru. Prin urmare distanţa de 4 mm nu poate fi utilizată în cazul sarcinilor

mari, deoarece, datorită influenţei celor trei parametri, ar rezulta un potenţial de

străpungere prea mare. De aceea apare necesitatea varierii distanţei dintre electrozi

în funcţie de sarcină, în acest scop s-a prevăzut un al doilea electrod legat la masă

realizat pe capul pistonului, denumit PGE (Piston Ground Electrode). Acesta se

poate apropia de electrodul central până la 1 mm, atunci când pistonul este la PMI,

figura 6. Electrodul PGE este placat astfel încât să nu se erodeze prin scânteie.

Fig. 6. Dispunerea electrozilor din piston (PGE)

şi din injectorul bujie (SGE)

La sarcini parţiale este nevoie de un avans mai mare la scânteie, poate

depăşi 30°RAC înainte de PMI, parţial din cauză că amestecul este puternic diluat cu

gaze arse. La acest avans al scânteii electrodul PGE este mult prea departe, astfel

că scânteia se produce între electrodul central şi SGE, având lungimea de 4 mm.

E.M.M.A.I. 2009

7

La creşterea sarcinii avansul declanşării scânteii scade, iar la sarcinile mari

trebuie să intervină sistemul de limitare a avansului pentru a preveni detonaţia. în

consecinţă electrodul PGE este din ce în ce mai aproape de electrodul central la

momentul declanşării scânteii, la creşterea sarcinii reducând distanţa dintre electrozi,

fig. 7

Oricum, distanţa dintre electrodul central şi PGE este încă prea mare în

domeniul sarcinilor peste cele medii. De aceea, aceşti doi electrozi trebuie să fie

astfel aşezaţi unul faţă de celălalt încât să se suprapună 3 mm, când pistonul este la

PMI, pentru a reduce distanţa dintre ei la aceste regimuri critice. Distanţa radială

dintre ei este de 1 mm, fig. 8.

Fig. 7. Variaţia lungimii scânteii (distantei dintre electrozi)

în funcţie de sarcina, la turaţia de 4000 rot/min.

Fig. 8. Poziţionarea electrodului din piston fata de electrodul central.

Sistemul SCC foloseşte injecţia directă în cilindru (DI) din mai multe motive:

• Procesul de schimb de gaze mai eficient, obturatorul fiind larg deschis -WOT

(Wide Open Throttle), rezultând mai puţine gaze reziduale;

E.M.M.A.I. 2009

8

• îmbunătăţirea controlului raportului aer/combustibil la regimurile tranzitorii şi în

primele cicluri critice ale pornirii la rece;

• Răcirea încărcăturii proaspete la WOT, rezultând eliminarea detonaţiei şi

îmbunătăţirea randamentului volumetric;

• Facilitează instalarea sistemului Oprire/Pornire (Stop&Go) în locul funcţionării

la ralanti.

SCC funcţionează cu amestec stoichiometric atâta timp cât pe piaţă nu este

disponibil combustibilul fără sulf.

Funcţionarea cu amestec sărac stratificat constituie o alternativă pentru viitor,

atunci când combustibilul fără sulf devine disponibil, cu condiţia ca emisia de NOx să

fie foarte scăzută atâta timp cât filtrele de neutralizare (a NOx) au un randament sub

95%. în acest sens SCC a adoptat injecţia de amestec aer + benzină.

Sistemul de ardere cu amestec sărac stratificat funcţionează cu EGR pentru a

reduce emisia de NOX. Injecţia de amestec aer + benzină permite stratificarea

încărcăturii, iar în jurul bujiei concentraţia locala de EGR devine redusa, rezultând o

extindere a limitelor de inflamabilitate a amestecului şi o mai bună tolerare a EGR.

Penetraţia redusă şi dimensiunile mici ale picăturilor jetului de aer + benzină

injectate conduce la emisii reduse de HC şi eliminarea rateurilor scânteii.

Lipsa spaţiului în camera de ardere a condus la integrarea într-un singur

ansamblu a injectorului de combustibil şi a bujiei. Acesta necesită un orificiu de

penetrare în cameră de doar 15 mm,

Se remarcă performanţele excepţionale ale motorului Saab SVC (cilindree:

1598 cm3; nr de cilindri: 5; Pmax = 165 kW/5 800 rot/min; Mmax = 305 Nm/4 000

rot/min; supraalimentare mecanică cu şurub; EMS: Saab Trionic 7; TWC), puterea

litrică de 103,2 kW/1l (numai acest motor şi cel de la Honda VTEC au reuşit

realizarea unei puteri litrice, pentru maşini de serie, mai mari de 100 kW/1l) şi un

cuplu pe litru de cilindree de 190,8 Nm/1l (faţă de performanţa de vârf de 200 Nm/1l).

De asemenea, emisia de NOx a fost redusă cu 90 - 95%.

MOTORUL MAYFLOWER e3

Mayflower Corporation a realizat motorul Mayflower e3, cu raport de

comprimare şi cilindree variabile, inventat de Joe Ehrlich. Soluţia se poate utiliza pe

E.M.M.A.I. 2009

9

orice tip de motor, cu benzină sau diesel, în 4 sau în 2 timpi, indiferent de

dimensiune sau configuraţia cilindrilor, fig. 9.

Fig. 9. Vedere a ansamblului piston-biela-levier

pivotant-arbore cotit de la motorul Mayflower e3.

Diferenţa dintre motorul e3 şi unul convenţional constă în aceea că biela nu se

montează direct pe manetonul arborelui cotit, ci prin intermediul unui braţ de

conexiune a cărui mişcare este controlată cu un levier pivotant, care alunecă într-un

lagăr şi care permite, practic, varierea lungimii razei manivelei, şi prin aceasta atât

cursa pistonului, cât şi cilindreea motorului, fig. 9.

Acest montaj transformă traiectoria capului bielei dintr-una circulară într-una

eliptică şi, astfel, durata mişcării pistonului la capăt de cursă (în jurul punctelor

moarte) va fi mai mare decât la motorul convenţional. Menţinerea pistonului mai mult

timp în apropierea PMI creează condiţii mai favorabile desfăşurării eficiente a

procesului de ardere (la volum cvasiconstant). De asemenea, chiar la PMI forţa pe

piston creează cuplu motor, deoarece capul bielei este situat excentric faţă de axa

arborelui cotit, ceea ce înseamnă că se generează cuplu pe toată durata cursei de

destindere. Totodată, cursele de admisiune şi de evacuare sunt mai lungi, favorizând

procesele de schimb de gaze.

Levierul pivotant este articulat într-un singur punct de carcasa motorului,

într-un lagăr de alunecare, pe una din părţile laterale ale arborelui cotit. Punctul de

pivotare poate fi deplasat pe verticală şi pe orizontală, în timpul funcţionării motorului,

pentru a varia poziţia levierului pivotant. Acest lucru permite varierea simultană a

raportului de comprimare, între 9:1 şi 15:1, şi a cilindreei unitare, de la 260 cm3 la

300 cm3, realizându-se optimizarea regimurilor de funcţionare a motorului .

E.M.M.A.I. 2009

10

Fig. 10. Schemele mecanismului motor de

la cele doua variante, convenţional şi e3.

Fig. 11. Varierea geometriei mecanismului motor prin

varierea poziţiei levierului pivotant.

Se constată că motorul e3 permite varierea dimensiunilor motorului în

funcţie de cerinţele de deplasare ale automobilului.

Avantajul motorului e3 nu constă numai în densitatea mai mare de putere şi

emisii mai reduse, ci şi în funcţionarea mai silenţioasă şi mai uniformă.

Variind poziţia punctului de pivotare se schimba mişcarea pistonului .

Consumul de combustibil şi emisiile sunt mai reduse cu până la 40%,

respectiv 50%, faţă de motorul convenţional de referinţă.

E.M.M.A.I. 2009

11

Firmele interesate de motorul e3 (General Motors, Ford, Daimler Chrysler şi

MG Rover) speră să-l industrializeze până în 2006.

Motorul FEV cu raport de comprimare variabil

Specialiştii de la FEV au reproiectat şi realizat un motor cu aprindere prin

scânteie cu 4 cilindri, supraalimentat, al cărui raport de comprimare poate fi variat

continuu până la valoarea maximă de 14. Particularitatea lui constă în montarea

arborelui cotit în carterul motorului prin intermediul unor lagăre excentrice. Rotirea

lagărelor excentrice, cu ajutorul unui arbore suplimentar pe care se montează

pinioane care angrenează cu sectoare dinţate solidare cu inelul exterior al lagărelor,

conduce la modificarea poziţiei ansamblului piston-bielă-manivelă faţă de chiulasă şi,

astfel, varierea continuă a raportului de comprimare, fig. 12. Arborele suplimentar

este comandat automat în funcţie de condiţiile de deplasare ale automobilului, în

testele de drum s-a constatat posibilitatea funcţionării motorului cu un raport de

comprimare aproape de 14, până la o viteză de deplasare de 140 km/h (87 mile/h) .

Fig. 12. Motorul FEV cu RCV.

MOTORUL TOYOTA CU RAPORT DE DESTINDERE MĂRIT.

Este cunoscut faptul că randamentul termic al ciclului poate fi îmbunătăţit prin

mărirea raportului de comprimare. Această soluţie este limitată, la motorul cu

aprindere prin scânteie, de apariţia detonaţiei. La un motor cu raport de comprimare

E.M.M.A.I. 2009

12

mărit detonaţia poate fi evitată prin varierea întârzierii închiderii supapei de

admisiune, astfel încât să se reducă raportul efectiv de comprimare până la limita

apariţiei detonaţiei, iar, raportul de destindere rămânând mare, randamentul ciclului

termic se îmbunătăţeşte semnificativ, în figura 13.a s-au reprezentat diagramele p-V

ale unui ciclu cu raport de destindere mărit şi altul convenţional, la randamente de

umplere egale. Se observă că prin întârzierea închiderii supapei de admisiune,

presiunea maximă a ciclului creşte şi, cu aceasta, creşte şi aria pozitivă a ciclului, iar

aria diagramei de pompaj se reduce, în figura 13.b se compară cele două cicluri în

cazul în care presiunea de la sfârşitul comprimării este aceeaşi. Şi-n acest caz prin

mărirea raportului de destindere randamentul termic al ciclului se îmbunătăţeşte.

Variaţia randamentului termic al ciclului atunci când se variază valoarea

raportului de destindere, pentru un motor Toyota 5S-FE de 2164 cm3, este ilustrată în

figura 14. La creşterea raportului de destindere şi a întârzierii închiderii supapei de

admisiune, randamentul termic al ciclului creşte. La creşterea raportului de

destindere peste 14,7, randamentul ciclului începe să scadă. La fel se întâmplă şi la

creşterea peste o anumită valoare a întârzierii la închiderea supapei de admisiune.

Fig. 13. Diagramele indicate ale motorului cu raport de destindere mărit

şi ale motorului convenţional:

a) acelaşi randament de umplere;

b) aceeaşi presiune la sfârşitul comprimării.