tEHNOLOGIA DE FABRICAtie PENTRU SUPAPA DE ADMISIE6.1.        Condi t ii func t ionale, materiale si semifabricate 6.1.1.     Conditii functionale si tehnice.

          În ansamblul motor, supapa de admisie are rolul de a deschide si închide admisia combustibilului în camera de ardere. În timpul functionarii supapa de admisie este supusa la compresiune (capatul tijei respectiv tija) la temperaturi relativ înalte, oxidari si coroziuni.

          În acest scop la executia supapelor se impun conditii riguroase privind pozitia relativa a talerului si a cozii supapei în raport cu tija, precum si asupra rectiliniaritatii tijei. Trecerea de la tija la taler trebuie sa fie continua.

Referitor la forma talerului, supapa cu taler plat are o utilizare mai mare datorita simplitatii fabricatiei.

Supapa cu forma concava a talerului este caracteristica pentru admisie la motoarele rapide, de putere mare, deoarece asigura o forma buna pentru curgerea gazelor, masa mica si rigiditate suficienta. Dezavantajul acestei supape este suprafata mare de încalzire, din care cauza nu se recomanda pentru supapa de evacuare.

Supapa cu taler bombat este utilizata pentru evacuare deoarece este mai rigida.

Suprafata de etansare se executa conic cu unghiul fatetei de 45º sau 30º. Supapa cu fateta la 45º, la aceiasi înaltime de ridicare are o sectiune mai mica de trecere decât supapa cu unghiul fatetei de 30º, în schimb asigura o forma mai buna a curentului de gaze, pierderi gazodinamice mai mici, rigiditate mai mare. Din aceste considerente sunt folosite mai des supapele cu unghiul fatetei de 45º.

Unghiul fatetei supapei se executa cu 0,5-1,30º mai mic decât unghiul scaunului supapei, astfel încât partea dinspre camera de ardere sa fie imediat etansa prin atingere liniara, împiedicând astfel trecerea gazelor de ardere. Lungimea fatetei trebuie sa fie suficienta pentru ca presiunea de contact sa fie cât mai mica, în vederea reducerii uzurii si pentru ca fluctuatiile termice si efectele acestora sa fie minime.

Pentru a asigura conditii optime procesului umplerii, supapa de admisie se face cu diametru maxim posibil. Dupa datele experimentale aceasta ajunge la 42-50% din alezajul cilindrului si la 1,15 ori diametrul canalului. Supapele de evacuare au 82-88% din diametrul supapelor de admisie.

6.1.2.                        Materiale.

          Datorita conditiilor de lucru, pentru supapa de admisie se utilizeaza oteluri speciale, termorezistente si anticorozive, fata de care se impun o serie de cerinte:

-         Rezistenta la solicitari dinamice.

-         Rezistenta la temperaturi ridicate pentru a nu se rupe în functionare.

-         Rezistenta sub sarcina prelungita pentru a nu se deforma în functionare.

-         Mentinerea duritatii la temperatura de regim.

-         Rezistenta la coroziune în diferite medii.

În plus materialul trebuie sa aiba bune proprietati de alunecare (tija în ghidul supapei), coeficient redus de dilatare, buna conductibilitate termica, si cost mic. Pentru a economisi materialele scumpe se executa supape bimetalice: se utiliz 121e49b eaza otel austenitic pentru talerul supapei si otelul martensitic calibil, cu bune proprietati de alunecare, pentru tija. Îmbinarea se face prin sudare.

          În cazul supapelor de admisie, unele conditii de lucru sunt mai putin severe ca la supapele de evacuare si se utilizeaza oteluri martensitice aliate cu crom sau cu crom si nichel.

6.1.3.     Tratament termic

Se aplica un tratament de îmbunatatire:

- Calire la 830º cu racire în ulei.

- Revenire la 600º cu racire în aer.

Pentru capatul tijei calire C.I.F. cu o duritate min. 50 HRC pe adâncime de 1,2-2 mm.

În vederea îmbunatatirii calitatii de alunecare a supapelor si pentru evitarea tendintei spre gripare, tija supapei se cromeaza.

Grosimea stratului de cromare este de 0,004-0,006 mm fara o corectare ulterioara (respectiv rectificare)a tijei supapei.

6.1.4.     Semifabricate pentru supape

Metoda de realizare a semifabricatului trebuie sa tina seama de asigurarea unei înalte stabilitati dimensionale si unei rezistente la oboseala ridicate, la un cost minim. Pentru satisfacerea acestor cerinte, semifabricatele se obtin prin deformare plastica, electrorefulare, urmata de matritarea de precizie si extrudare.

6.2.        Stabilirea succesiunii operatiilor si fixarea bazelor de asezare

Forma constructiva, precum si caracterul productiei de serie sau de masa, face posibila automatizarea procesului de prelucrare mecanica. Tehnologiile moderne prevad obtinerea unor semifabricate foarte precise, cu adaosuri mici , astfel ca uzinarea sa se poata face numai prin rectificare.

Conditia principala ce trebuie îndeplinita la prelucrarea supapei este realizarea unei concentricitati cât mai perfecte a conului de asezare al corpului supapei cu portiunea de ghidare a tijei.

În cazul general supapele se prelucreaza prin strunjire si rectificare. Când se obtin semifabricate precise, prelucrarea supapelor se face numai prin rectificare. Etapele principale de prelucrare mecanica depind de procesul tehnologic adoptat.

Deoarece semifabricatul este foarte precis, numarul de operatii este mult mai mic, ceea ce constituie principalul avantaj al acestei tehnologii. Operatiile de prelucrare se executa pe masini de rectificat plan, masini de rectificat fara centre sau masini speciale.

Rectificarea tijei supapelor se executa pe masini de rectificat fara centre.

Metoda aplicata pentru rectificarea tijei supapei pe R.F.C. este rectificarea cu avans transversal pentru piese scurte cu reborduri.

Latimea discurilor abrazive este mai mare decât lungimea portiunii de rectificat, pentru a se putea rectifica dintr-o singura trecere toata lungimea.

Avansul transversal este continuu.

Piesele se introduc prin partea de sus si se aseaza pe rigla de reazem fiind împinse pâna la opritor, care determina lungimea.

6.3.        Succesiunea opetatilorNr. Crt.

Denumirea operatiei Utilaje

1 Rectificarea de degrosare a suprafetei frontale a tijei.

Masina de rectificat universala R.U. 350

2 Rectificarea de degrosare a tijei supapei.

Masina de rectificat fara centre R.F.C. 200

3 Rectificarea suprafetei

cilindrice a capului supapei.

Masina de rectificat exterior R.E. 350

4 Rectificarea capului supapei. Masina de rectificat plan rotativ R.P.R. 10005 Rectificarea canalului de siguranta. Masina de rectificat exterior R.E. 1006 Rectificarea de finisare a tijei. Masina de rectificat fara centre R.F.C. 200

7 Calire C.I.F. a capului supapei. Instalatie C.I.F.8 Rectificare de finisare a capului

supapei.Masina de rectificat universala R.U. 350

9 Rectificarea suprafetelor conice. Masina de rectificat exterior R.E. 35010 Spalare Masina de spalat M.S.V. 111 Controlul B.L.C.T.C.12 Cromare Instalatii13 Conservare, ambalare B.L.

6.4.        Studiul uzurilor piesei si tehnologia de reconditionare a ei.6.4.1.     Identificarea suprafetelor supuse uzurii

Principalele uzuri (defectiuni) ale unei supape de admisie sunt:

-         Uzura suprafetei de ghidare si a capatului tijei.

-         Uzura suprafetei conice a talerului.

-         Încovoierea tijei.

-         Arderea.

-         Corodarea si fisurarea talerului supapei.

Determinarea uzurilor, a abaterilor dimensionale si a conditiilor tehnice (abateri de forma si pozitie) se face în atelierele de reparatii, prin analizarea si masurarea piesei respective, completându-se o fisa tip, de micromasuratori si o schita pe care se indica locurile de masurare în diferite planuri si sectiuni.

Diametru tijei supapei se masoara cu micrometrul în doua directii perpendiculare una pe alta si în trei plane la o distanta de min. 5 mm de marginile extreme de uzura si la mijloc.

Conditiile de forma si pozitie (de bataie) se determina cu ajutorul comparatoarelor cu ceas si prisme de asezare. Supapele care prezinta fisuri, au talerul ars sau corodat, se reformeaza. În functie de marimea abaterilor (uzurilor), restul pieselor se pot reconditiona corelându-se cu restul pieselor din ansamblu.

6.5.        Alegerea metodei optime de reconditionare.6.5.1.     Uzura tijei supapei.

-         Rectificarea la o cota de reparatie si înlocuirea ghidurilor de supapa cu altele cu diametru interior corespunzator.

-         Daca nu este posibila schimbarea ghidurilor acestea se alezeaza, iar tijele supapelor se cromeaza dur (dupa ce în prealabil au fost rectificate) si apoi se rectifica la cota alezajului corect.

Succesiunea operatiilor pentru reconditionarea tijei supapei.Nr. Crt.

Denumirea operatiei Masini si utilaje

1 Rectificare exterioara a tijei. Masina de rectificat exterior R.E. 350

2 Cromare. Instalatie3 Rectificare fina. Masina de rectificat exterior.4 Control dimensional. Banc de lucru5 Alezare ghid. Masina de alezat verticala

6.5.2.     Uzura suprafetelor conice de etansare.

Se rectifica suprafata conica pâna la disparitia urmelor de uzura. Metoda poate fi aplicata la limita de grosime a partii cilindrice, care nu poate fi mai mica de 0,3-0,5 mm pentru a se evita deformarea talerului. Dupa rectificare urmeaza rodarea supapei pe scaunul respectiv din chiulasa cu pasta abraziva (manual sau mecanizat) si se verifica etanseitatea.

Succesiunea operatiilor pentru reconditionarea suprafetei conice de etansare.Nr. Crt.

Denumirea operatiei Masini si utilaje

1 Rectificare con. Masina de rectificat exterior R.E. 3502 Rodare. Manual sau mecanizat3 Proba de etanseitate. Banc de lucru

6.5.3.     Uzura suprafetei din capul tijei.

-         La uzuri mai mici se rectifica pâna la disparitia urmelor de uzura, dar nu mai mult decât stratul de calire.

-         La uzuri mari se încarca prin sudura cu materiale dure, se caleste si se rectifica la cota.

Succesiunea operatiilor pentru reconditionarea suprafetei din capul tijei.Nr. Crt.

Denumirea operatiei Masini si utilaje

1 Rectificare frontala. Masina de rectificat universala R.U. 3502 Sudura (încarcare). Aparat de sudura3 Rectificare finisare. Masina de rectificat universala R.U. 350

7.    STUDIUL PRIVIND SUPRAALIMENTAREA M.A.S. sI GENEZA NOXELOR7.1.        Clasificare

Prin supraalimentare se întelege introducerea încarcaturii proaspete în cilindru la presiuni mai mari decât cea ambianta prin precomprimarea partiala sau totala a încarcaturii proaspete înainte de intrarea în motor.

Supraalimentarea s-a aplicat pentru prima data la motoarele cu aprindere prin scânteie de avion pentru refacerea puterii, la peste 5000 m altitudine puterea scazând la jumatate datorita scaderii densitatii aerului.

Supraalimentarea m.a.s. are dezavantajul detonatiei. Deoarece presiunea si temperatura la începutul comprimarii cresc, ele se majoreaza pe tot ciclul si apare situatia nedorita a aparitiei unor nuclee nedorite de flacara în amestec care produc aprinderea înainte ca frontul de aprindere generat de bujii sa ajunga la zona respectiva. Arderea anormala cu detonatie a facut ca supraalimentarea m.a.s. sa se restrânga, ea revenind în actualitate în anii '70 în tractiunea rutiera , mai întâi în cursele de Formula 1 si mai apoi la motoare performante de autoturisme.

          În cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare (m.a.c.) supraalimentarea este benefica pentru procesul de aprindere si ardere si datorita temperaturii mai mari a aerului comprimat. Din acest motiv în prezent se supraalimenteaza si la 40..50 kW, supraalimentarea având ca efect cresterea  presiunii si densitatii fluidului proaspat, ceea ce conduce la majorarea presiunii efective pe.

Daca ne referim la un motor dat si avem relatia puterii:

constatam ca majorarea acesteia pentru un motor dat se poate face prin cresterea valorilor pentru turatie (n) si presiune efectiva (pe). Majorarea turatiei este însa limitata deoarece fortele maselor în miscare de rotatie: 

 si a celor în miscare de translatie:   

cresc proportional cu patratul vitezei unghiulare . Din acest motiv cel mai simplu mijloc pentru cresterea puterii în conditiile mentinerii gabaritului motorului este cel ce recurge la majorarea pe prin precomprimarea fluidului proaspat în afara motorului.

Relatia presiunii medii efective :

          

Se poate regrupa :

Evidentiindu-se coeficientul de perfectiune termogazodinamica si mecanica precum si densitatea fluidului proaspat la intrarea în motor.

          Majorarea parametrului os conduce indirect între anumite limite si la majorarea factorului fc .

Comprimarea în asa-numita suflanta exterioara a motorului este politropica, majorarea densitatii cuantificându-se dupa raportul :

unde ns - exponentul politropic pentru suflanta.

Majorarea densitatii nu este liniara cu raportul presiunilor, ci mai redusa.

7.1.1.     Avantajele supraalimentarii

          Avantajele supraalimentarii sunt:

-         reducerea gabaritului motorului si a masei pe unitatea de putere;

-         turbosupraalimentarea ce foloseste suflanta antrenata de turbine cu gaze care prelucreaza partial energia continuta în gazele de esapament determina randamentul efectiv si obtinerea unei curbe ce=f(n) cu un minim mai putin accentuat, ceea ce determina functionarea mai economica si servituti de amortizor de zgomot;

-         se reduce costul pe unitatea de putere;

-         se reduc dimensiunile radiatorului deoarece caldura evacuata pe unitatea de putere este mai redusa decât la motorul cu admisiune normala;

-         se reduc noxele si costul pe unitatea de putere.

7.1.2.     Dezavantajele supraalimentarii

          Dezavantajele supraalimentarii sunt legate de :

-         solicitari termice si mecanice ale organelor motorului ce cresc mai ales pentru supraalimentarea înalta si foarte înalta, fiind necesara supradimensionarea  în primul rând a ambielajelor si a lagarelor;

-         mai ales pentru supraalimentarea foarte înalta se constata o adaptabilitate a motorului la conditiile tractiunii rutiere.

Eficienta supraalimentarii se cuantifica prin coeficientul de supraalimentare si prin gradul de  supraalimentare unde s-au notat cu "pme" presiunea medie efectiva a motorului în discutie functionând cu admisie normala.

Dupa coeficientii folositi se mai disting:

-         supraalimentarea joasa (mica-medie) ls=1.3..2 si gs=30..100%;

-         supraalimentarea înalta ls=2..4 si gs=100..300%;

-         supraalimentarea foarte înalta ls>4 si gs>300% ;

unde:

ls - este raportul dintre presiunea de supraalimentare si presiunea atmosferica

gs - este gradul de supraalimentare în procente.

Clasificarea nu este dupa convenienta, ea având în vedere modificarile ce trebuie aduse motorului pentru a putea prelua solicitarile termice si mecanice majorate. Astfel pentru ls<1.5 nu sunt necesare masuri speciale la motor cu exceptia echiparii sale cu grupul de supraalimentare. Pentru ls>1.5 eforturile majorate din mecanismul biela-manivela se impune reconsiderarea constructiva a acestora pentru ca începând cu ls>3 sa fie necesara confectionarea capului pistonului din otel refractar, racirea sa, iar pentru îmbunatatirea umplerii, racirea fluidului proaspat la iesirea din suflanta si intrarea în motor.

Într-o schema sintetica supraalimentarea poate fi clasificata dupa urmatoarele criterii:

7.1.3.     modul de obtinere a presiunii prin supraalimentare

-         Prin mijloace exterioare motorului, de exemplu cu ajutorul unei suflante antrenate electric (supraalimentarea simulata).

-         Prin valorificarea unei cote parti a energiei vehiculate de motor:

-         fara suflanta si turbina folosind un sistem de admisie adecvat ce exploateaza fenomenele de unda din traseul de aspiratie;

-         fara suflanta, cu exploatarea energiei undelor de presiune din traseul de evacuare, cum este sistemul Comprex;

-         cu suflanta antrenata de la motor;

-         cu suflanta si turbina cu gaze de impuls sau de presiune constanta.

7.1.4.     tipul constructiv al suflantei

-         Suflanta volumica (cu piston în miscare alternativa sau cu rotor);

-         Suflanta dinamica radiala, axiala ori radial-axiala, la care comprimarea  fluidului proaspat se face pe baza impulsului primit de la paletele suflantei.

7.1.5.     Mod de cuplare cu motorul si de prelucrare a energiei

-         Supraalimentare mecanica cu suflanta cuplata la arborele motor fara  turbina cu gaze

-         Turbosupraalimentare consacrata, suflanta fiind antrenata de turbina cu gaze de pe esapament, grupul neavând legatura cinematica cu motorul ci numai gazodinamica

-         Turbosupraalimentare mixta, grupul de supraalimentare fiind cuplat si cu arborele motorului

-         Turbosupraalimentare cu un grup turbina-suflanta si turbina de putere suplimentara antrenata separat de catre gazele de esapament Compound

7.1.6.     SUPRAALIMENTAREA MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE PENTRU AUTOTURISME

          Pâna nu de mult aplicata numai la motoarele de curse, supraalimentarea m.a.s. se aplica în ultimii ani si la motoarele de serie.

7.1.7.     Principalele probleme puse de supraalimentarea m.a.s.

-         cresterea tendintei de ardere anormala mai ales cu detonatie;

-         asigurarea gradului de adaptabilitate necesar conditiilor de cele ale autovehiculului, motorul trebuind a functiona într-o gama mare de turatii;

-         reducerea gabaritului, masei si a costului echipamentului de supraalimentare;

-         controlul temperaturii gazelor de evacuare în fata turbinei  care este cu 200..250o C mai mare decât la m.a.c. favorabil fiind faptul ca continutul mai redus de oxigen si lipsa sulfului si vanadiului conduce la o mai mica corozivitate a gazelor esapate.

7.1.8.     Masuri pentru reducerea tendintelor de ardere detonanta

-         Reducerea avansului la producerea scânteii electrice nu poate fi luata în considerare datorita tendintei de deplasare a arderii în destindere;

-         Reducerea raportului de comprimare implica diminuarea economicitatii motorului ce poate fi partial compensata prin:

-         Optimizarea formarii amestecului si a aprinderii, folosind microprocesoare programate dupa date de stand;

-         Reducerea pierderilor gazodinamice prin rationalizarea formelor traseelor de schimb de gaze;

-         Utilizarea racitoarelor intermediare de aer pentru fluidul proaspat cu toate problemele de gabarit;

-         Controlul solicitarilor termice se asigura prin racirea supapelor de evacuare cu sodiu introdus în alveole practicate în tija acestora.

-         Pistonul se raceste cu ulei  prin stropire iar pompa de fluid de racire se reconsidera pentru majorarea debitului.

-         Pentru simplitate constructiva la motoarele mici statorul turbinei centripete este format dintr-o camera spirala, fara palete, ceea ce nu permite admisiunea partiala.

-         Reglarea motorului este cantitativa, asigurata de obturator existând doua posibilitati:

        Obturatorul se afla în fata suflantei ceea ce aduce urmatoarele avantaje:

-         se poate utiliza aceiasi tubulatura de admisie ca si la motorul cu admisie normala .

-         acordarea carburatorului (daca acesta exista) cu motorul este mai simpla.

-         combustibilul este repartizat uniform în amestec prin miscarea de vârtej din suflanta  care determina si intensificarea turbulentei.

-         vaporizarea combustibilului determina racirea fluidului motor.

Dezavantajul acestei solutii  consta în faptul ca arborele suflantei trebuie foarte bine etansat pentru ca uleiul de ungere sa nu ajunga în amestecul proaspat, penalizându-se astfel arderea si murdarindu-se camera de ardere.

        Obturatorul se afla dupa suflanta ceea ce impune:

-         folosirea unui carburator în doua trepte care poate fi mai usor acordat pentru evitarea macar partiala a pompajului.

-         protectie sigura de pompaj  a suflantei se obtine prin by-passarea fluidului proaspat printr-o supapa comandata pneumatic sau electronic care la sarcini partiale trimite aerul direct în colectorul de admisie (Porsche 924 Turbo). Suflantele cu stator cu geometrie variabila elimina complet pompajul ele fiind însa foarte scumpe motiv pentru care nu se folosesc decât la motoare de puteri mijlocii-mici.

Turbosuflantele pentru autoturisme se construiesc obisnuit cu reglarea debitului admis în turbina prin evacuarea unei parti de gaze direct în conducta de evacuare, iar turbina si suflanta se dimensioneaza pentru un debit de gaze si aer corespunzator unei turatii medii.

În esenta pentru supraalimentarea m.a.s. sunt necesare urmatoarele masuri:

-         Reducerea duratei baleiajului pentru diminuarea pierderilor de combustibil.

-         Cresterea sectiunii supapelor recomandându-se 2(3) supape de admisie si 2 de evacuare.

-         Introducerea sodiului în tija supapei de evacuare pentru accelerarea evacuarii caldurii.

-         Cresterea dimensiunilor radiatorului.

-         Realizarea unor echipamente de supraalimentare miniaturizate care însa este dificila tehnologic.

-         La utilizarea injectiei de benzina se aplica racirea pulverizatorului injectorului cu aer.

-         Racirea într-un radiator separat a uleiului pentru grupul de supraalimentare .

-         Folosirea unor materiale de calitate superioara la confectionarea principalelor organe ale motorului.

7.2.        GENEZA NOXELOR LA MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE7.2.1.      Sursele de poluare

Sursele de poluare ale motorului cu aprindere prin scânteie sunt:

- gazele de evacuare, care au ponderea de cca. 65% si care contin o varietate mare de poluanti: oxid de carbon, hidrocarburi, oxizi de azot, aldehide, plumb si particule de carbon;

- gazele de carter, care au o pondere de cca. 20% si care contin produse de ardere în diferite stadii si vapori de combustibil;

- carburatorul, cu o pondere de cca. 9%;

- rezervorul de combustibil, cu o pondere de cca. 6% si care, la fel ca si carburatorul, constituie zona de unde difuzeaza în atmosfera fractiunile usoare ale benzinei care se vaporizeaza la temperaturi reduse.

Rezulta din cele prezentate anterior ca principalele substante poluante care apar la m.a.s.-uri sunt: oxidul de carbon, hidrocarburile, oxizii de azot, aldehidele, particulele de plumb si sulful.

         

7.2.2.     Originea oxidului de carbon

 

Oxidul de carbon constituie una din principalele noxe ale m.a.s.-urilor. Aparitia lui în gazele de evacuare si de carter are urmatoarele doua cauze:

- arderea incompleta, datorita oxigenului insuficient din camera de ardere (ecuatia 2.1.), cauza confirmata si de cresterea concentratiei de CO în gazele de evacuare în cazul utilizarii amestecurilor bogate;

C+1/2C2 =CO                                            (2.1.)

- disocierea bioxidului de carbon(ecuatia 2.2.),la depasirea unui anumit prag de temperatura;

CO2                           CO+1/2O2                    (2.2.)

Oxidul de carbon este un gaz incolor si inodor, de aceea el poate fi detectat numai cu aparatura speciala. Masa unui kilomol de CO este de 28 kg, iar a unui kilomol de aer este de 28,9 kg; datorita acestui lucru oxidul de carbon are un coeficient de difuzie foarte mare în aer.

Oxidul de carbon poate fi neutralizat în prezenta razelor ultraviolete si a apei (ecuatia 2.3.):

          CO+H2O              H  -  COOH                   (2.3.)

Unele plante pot transforma oxidul de carbon; astfel frunza de fasole poate transforma 1,05m mol/dm2.h.

Influenta negativa a oxidului de carbon asupra organismului uman poate fi ilustrata prin urmatoarea constatare: 50 ppm de CO modifica rezistenta la monotonie, acuitatea vederii si provoaca cresterea frecventei aparitiei infarctului. La nivelul tesuturilor, CO se combina cu hemoglobina din sânge formând un compus foarte stabil "carboxihemoglobina" blocând transportul oxigenului; daca în sânge se afla 0,1% CO, jumatate din hemoglobina va fi blocata.

7.3.        Originea hidrocarburilor din gazele de evacuare

Existenta hidrocarburilor în gazele de evacuare este o consecinta directa a arderii incomplete a amestecului carburant în cilindrii motorului. Arderea incompleta a amestecului carburant este determinata de fenomenul de întrerupere a propagarii flacarii, deci de "stingerea la pereti" a reactiilor de oxidare.

Cauzele care provoaca întreruperea propagarii flacarii sunt multiple:

-         racirea locala intensa a amestecului, cunoscuta si sub denumirea de stingerea flacarii la pereti

-         diluarea excesiva a amestecului cu gaze reziduale

-         îmbogatirea excesiva a amestecului

-         saracirea excesiva a amestecului.

Analiza chimica a gazelor de evacuare a aratat ca în masa acestora se gasesc hidrocarburi care nu au fost continute initial în compozitia combustibilului; formarea de noi hidrocarburi în cilindrii motorului, în special a celor nesaturate, are o mare importanta pentru ca acestea au o reactivitate mai mare la formarea smogului fotochimic.

Reducerea aparitiei hidrocarburilor la geneza este posibila pe urmatoarele cai:

-         reducerea depresiunii din colectorul de admisie

-         întreruperea alimentarii cu combustibil a motorului la decelerare

-         saracirea amestecului

-         reducerea raportului "suprafata cilindrului / cilindree"

-         reducerea jocului dintre piston si cilindru, dintre primul segment si capul pistonului.

Influenta hidrocarburilor asupra organismelor vii se manifesta astfel:

La concentratii mari de etan si metan (35g/m3) pot sa apara tulburari de respiratie; pentanul si hexanul în concentratii de 45 g/m3 provoaca narcoza; hexanul în concentratie de 141 g/m3 determina moartea animalelor mici; se pare ca unele hidrocarburi sunt cancerigene.

7.3.1.     Originea oxizilor de azot

Azotul poate avea cu oxigenul urmatoarele combinatii posibile: protexidul de azot N2O; oxidul de azot NO; bioxidul de azot NO2; trioxidul de azot N2O3; tetraoxidul de azot N2O4; pentaoxidul de azot N2O5.

În gazele de evacuare se regasesc cu precadere doar oxidul de azot NO si bioxidul de azot NO 2,care se noteaza cu NOx.

Oxidul si bioxidul de azot se formeaza în camera de ardere a motorului conform ecuatiilor:

           N2+O2                2NO                                (2.4.)

          2NO+O2                     2NO2.                              (2.5.)

Reactia chimica precizata prin ecuatia (2.5.) se poate desfasura în ambele sensuri, oxidul si bioxidul de azot fiind într-un echilibru dinamic permanent, ceea ce pune serioase probleme în cazul analizei si determinarii separate a concentratiei acestora.

Bioxidul de azot NO2 este un gaz rosiatic si foarte toxic, el este de aproximativ 4 ori mai toxic decât oxidul de carbon, în prezenta apei are tendinta sa se transforme în acid azotic care ataca elementele fine ale plamânilor:

          3NO2+H2O        2HNO3+NO                     (2.6.)

Aparitia oxizilor de azot în gazele arse este conditionata de temperatura ridicata a gazelor arse initial(la începutul propagarii frontului de flacara),de calitatea amestecului si de timpul de propagare a flacarii.

Pentru a diminua sau chiar înlatura formarea oxizilor de azot în camera de ardere a motorului se poate actiona pe urmatoarele cai:

-         micsorarea temperaturii gazelor arse initial prin diluarea acestora cu aer sau gaze reziduale sau prin reducerea raportului de comprimare;

-         utilizarea amestecurilor stratificate astfel încât în jurul bujiei concentratia de oxigen sa fie mica, iar spre partea terminala a camerei de ardere concentratia de oxigen sa creasca.

Pe global se apreciaza ca emisia de oxizi de azot NOx are o toxicitate mult mai mare decât a oxidului de carbon CO; astfel inhalarea a 100 ppm NOx în timp de o ora determina îmbolnavirea organismului uman, iar 700 ppm NOx inhalate timp de o ora constituie doza letala.

7.3.2.     Originea aldehidelor

În gazele de evacuare ale motoarelor cu aprindere prin scânteie se gasesc cu precadere aldehida formica HCHO si acroleina C2H3CHO; ele sunt produse ale arderii incomplete, formându-se la temperaturile joase ale reactiilor cu flacara rece.

Aldehidele confera gazelor de evacuare un miros specific putin placut, precum si proprietati iritante.

7.3.3.     Originea particulelor

Particulele solide care se elimina prin gazele de evacuare au surse diferite, cum ar fi: plumbul, fosforul, aditivii organici din benzina si din uleiul mineral etc. Particulele pot avea dimensiuni de la zeci de microni pâna la câtiva milimetri. Particulele cu dimensiuni mari contin de obicei 60-65% saruri de plumb,30-35%oxid de fier si 2-3%carbon.Particulele fine contin în preponderenta carbon.

O atentie deosebita se acorda particulelor de plumb care odata ajunse în organism tulbura functia hematopeica; copiii în special sunt foarte afectati de emisia de plumb, ei devenind sensibili la infectii banale de genul gripei si guturaiului.

Emisia de plumb este o consecinta a utilizarii benzinelor etilate (aditivate) cu aditivi antidetonanti de tipul tetraetilului de plumb(C2H5)4Pb sau tetrametilului de plumb(CH4)4Pb.

Pentru a evita depunerea compusilor pe baza de plumb rezultati în urma arderii, pe peretii camerei de ardere, tetraetilul de plumb este însotit de asa-zisele substante antrenante de tipul dicloretilenei si dibrometilenei care împiedica depunerile pe peretii camerei de ardere favorizând în acelasi timp evacuarea compusilor cu plumb odata cu gazele arse; în felul acesta camera de ardere se mentine curata, dar în atmosfera se deverseaza particule de plumb.

Reducerea continutului de particule la geneza poate fi controlata prin urmatorii factori: regimul de functionare a motorului; concentratia plumbului în benzina; gradul de aditivare al benzinei si uleiului din motor; consumul de ulei; temperatura si starea peretilor colectorului de evacuare.

7.4.        TRATAREA GAZELOR LA MOTORUL CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

Cea mai folosita metoda pentru tratarea gazelor la motorul cu aprindere prin scânteie este folosirea unui catalizator cu trei cai. Denumirea acestuia vine de la faptul ca el actioneaza pe trei cai pentru reducerea emisiilor poluante si anume:

- reducerea HC

- reducerea NOx

- reducerea oxizilor de carbon

Un catalizator cu trei cai este format dintr-un corp spongios ceramic acoperit cu un strat de metale rare (platina si rodiu) cu rol de catalizatori. Corpul ceramic asigura o mare suprafata de contact între gazele de evacuare si stratul de metale rare. Plumbul continut în benzina se poate depune pe stratul de metale rare. Pentru a evita scoaterea din uz a catalizatorului trebuie folosita doar benzina fara plumb.

Functionarea catalizatorului are loc însa doar la valori bine stabilite ale coeficientului de exces de aer (=1) pentru alte valori ale coeficientului de exces de aer catalizatorul pierzându-si eficacitatea. Pentru mentinerea constanta a valorii coeficientului excesului de aer se foloseste injectia de benzina, singura care poate asigura în orice conditii si în orice regim valoarea coeficientului excesului de aer strict la valoarea (=1).

De asemenea functionarea catalizatorului este optima într-o anumita plaja de temperatura (400-650oC) aceasta temperatura este asigurata de gazele de evacuare.

La pornirea motorului temperatura catalizatorului este scazuta (la nivelul temperaturii mediului ambiant) acest lucru face ca functionarea motorului la pornirea la rece sa produca o cantitate de emisii nocive mult mai mari decât la functionarea în regimul nominal.

7.5.        PROBLEME SPECIFICE MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN SCâNTEIE SUPRAALIMENTATE

La motoarele cu aprindere prin scânteie supraalimentate problema se complica deoarece în camera de ardere se dezvolta temperaturi mult mai mari lucru ce favorizeaza formarea oxizilor de azot (NOx) substante foarte nocive si asupra carora s-au impus limitari legale foarte severe. O masura eficienta de reducere a temperaturilor din camera de ardere si în consecinta limitarea fenomenului de formare a oxizilor de azot este racirea aerului admis în schimbatoare de caldura aer-aer ori aer-apa.

Racitoarele aer-aer sunt mai avantajoase pentru ca au posibilitatea de a reduce mai mult temperatura aerului admis însa sunt mai voluminoase si impun restrictii la amplasarea în compartimentul motor.

Schimbatoarele de caldura aer-apa au gabarit mai mic si ofera o mai mare libertate de amplasare în interiorul compartimentului motor, lucru foarte important mai ales la autoturisme unde apar limitari severe datorita designului.

Aceste schimbatoare au dezavantajul ca nu pot raci aerul admis la o temperatura mai mica decât temperatura lichidului de racire. În general la autoturisme se folosesc schimbatoare de caldura aer-aer. De asemenea la intrarea în turbina temperatura gazelor trebuie limitata pentru a proteja rotorul turbinei care nu poate suporta temperaturi limitate iar în turbina gazele destinzându-se mai pierd o parte din temperatura, acest lucru complica problema deoarece pe de o parte dorim o temperatura scazuta  la intrarea în rotorul turbinei dar în acelasi timp avem nevoie sa încalzim corpul catalizatorului într-un timp cât mai scurt la temperatura de lucru. Pentru a preveni acest neajuns au aparut catalizatoare cu preîncalzire. Aceasta se face electric si asigura atingerea rapida a temperaturii de lucru ceea ce reduce substantial emisia de substante nocive la pornirea motorului

Un alt neajuns al motoarelor supraalimentate este baleiajul adica o parte din încarcatura proaspata iese pe lânga supapa de evacuare. Fenomenul de baleiaj este caracterizat de coeficientul de baleiaj "cb" care are valori cuprinse între 1,1-1,3.

Acest fenomen (baleiajul) are efecte benefice asupra functionarii motorului si anume:

-         asigura spalarea camerei de ardere fapt ce elimina total prezenta gazelor reziduale cu efecte benefice asupra încarcaturii proaspete si asupra arderii.

-         prin amestecarea gazelor arse cu o mica parte din încarcatura proaspata asigura o temperatura mai scazuta la intrarea în rotorul turbinei.

La motoarele cu aprindere prin scânteie baleiajul are si efecte negative si anume încarcatura proaspata este amestecul carburant format din combustibil si aer deci inevitabil în traiectul de esapament va ajunge combustibil care nu a participat la ardere deci a carui energie nu a fost utilizata. Acest lucru duce la marirea consumului de combustibil si la prezenta în gazele de evacuare a hidrocarburilor nearse cu un efect poluant incontestabil.

Un alt neajuns al fenomenului de baleiaj este prezenta oxigenului în gazele de evacuare fapt ce face ca sonda lambda sa dea informatii eronate asupra coeficientului de exces de aer. Pentru a evita acest lucru putem recalibra functionarea sondei lambda înca din procesul de omologare a motorului, dar acest lucru nu este atât de simplu stiut fiind faptul ca la bornele sondei lambda se înregistreaza un salt de tensiune la valori ale coeficientului de exces de aer foarte apropiate de valoarea unu.

8.   Concluzii.

În urma acestui studiu se poate observa cu usurinta ca motorul proiectat dezvoltat în continuare prin supraalimentarea sa, acest lucru ducând la obtinerea unei puteri mai mari.

Se poate spune ca motorul proiectat se preteaza cel mai bine aplicarii unei supraalimentari joase pentru a nu fi necesara supradimensionarea organelor de lucru ale motorului. Iar costurile aplicarii unui astfel de procedeu ar fi minime, obtinându-se în schimb beneficii importante.

Solutia cea mai potrivita ar fi de supraalimentare cu turbosuflanta  antrenata de gazele de evacuare, fara racire intermediara a aerului.

În cazul supraalimentarii trebuie modificata chiulasa în vederea scaderii raportului de compresie, trebuie redimensionate instalatiile de ungere si racire în scopul de a corespunde noilor solicitari termice ale motorului. La instalatia de racire trebuie folosita o pompa cu debit marit si un radiator mai mare. La instalatia de ungere trebuie marit debitul de ulei si se recomanda si folosirea unui racitor de ulei. De asemenea o mare importanta trebuie acordata ungerii turbinei stiut fiind faptul ca aceasta atinge în functionare turatii de 150000-180000 rot/min.

Bibliografie.

1.    Bobescu Ghe. Motoare pentru automobile si tractoare vol. I-II.

2.    Radu Ghe. Alex. Calculul instalatiilor auxiliare ale autovehiculelor.

3.    Turcoiu Titi Echipamente de injectie pentru motoare cu ardere interna

4.    Abaitancei D. Motoare pentru automobile si tractoare.

5.    Apostolescu N. Procesul arderii în motorul cu ardere interna.

6.    Negrea V. Motoare cu ardere interna.

7.    Grunwald B. teoria, calculul si constructia motoarelor pentru autovehicule rutiere.

8.    Berindean V. Procese caracteristici si functionarea motoarelor cu ardere interna.

9.    Dumitriu L. Sisteme electronice de control pentru automobile.