Principiul de functionare al motoarelor cu ardere interna cu piston

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA CU PISTON

1 Ciclul teoretic al motoarelor cu ardere interna cu piston

In motoarele cu aredere interna fluidul nu evolueaza intr-un circuit inchis, motorul aspirand amestec de aer si combustibil, sau numai aer, fluide de o anumita compozitie si energie potentiala chimica, pentru ca starea fluidului la sfarsitul procesului (gazele arse) sa fie diferita de cea initiala. Pentru producerea continua de lucru mecanic se impune ciclic alimentarea motorului cu incarcatura proaspata si evacuarea gazelor arse.

Fenomenele reale care au loc in timpul functionarii sunt complexe, deoarece depind de foarte multi factori variabili, a caror influenta asupra economicitatii motorului este foarte greu de determinat.

Pentru a putea determina prin calcul acesti factori s-au considerat unele ipoteze simplificatoare privind functionarea motorului si comportarea fluidului de lucru, obtinandu-se cicluri teoretice de referinta care servesc drept termen de comparatie pentru motoarele reale, in scopul aprecierii gradului de perfectiune al proceselor reale de lucru si a evidentierii modalitatilor de imbunatatire a functionarii motoarelor si de crestere a randamentului acestora.

Principalele ipoteze simplificatoare care s-au admis in cazul ciclului teoretic sunt:

gazul introdus in cilindru este un gaz perfect, care nu-si modifica compozitia chimica pe timpul procesului si are caldura specifica constanta;

comprimarea si destinderea se considera transformari adiabatice reversibile;

- arderea combustibilului si evacuarea produselor arderii sunt considerate procese reversibile de absorbtie si cedare de caldura;

se neglijeaza toate pierderile mecanice, hidromecanice si termice, cu exceptia caldurii cedata sursei reci.

Ciclul teoretic generalizat al motoarelor cu ardere interna cu piston este reprezentat in figura 47.

Ciclul teoretic se compune din:

comprimarea adiabatica reversibila a-c;

- incalzirea izocora c-y;

- incalzirea izobara y-z;

destinderea adiabatica reversibila z-b;

cedarea de caldura izocora b-f;

- cedarea de caldura izobara f-a.

Fig. 47 Ciclul teoretic generalizat al motoareor cu ardere interna cu piston

Principalii parametri ai ciclului teoretic sunt:

- raportul de comprimare e care reprezinta raportul dintre volumul V_a de la inceputul compresiei si volumul V_c de la sfarsitul ei:

e V_a/V_c (1)

raportul de destinderere (de crestere a volumului) pe timpul incalzirii izobare r

r = V_z/V_y    (2)

- raportul de crestere a presiunii pe timpul incalzirii izocore l:

l = p_y/p_c  (3)

- raportul de scadere a presiunii pe timpul racirii izocore d

d = p_b/p_f (11.4)

- randamentul termic al ciclului h_t

h_t = L_c/DQ = 1- (Q_ov + Q_op)/(Q_v + Q_p)  (5)

Ciclul real al motoarelor cu ardere interna cu piston

Ciclul real prezinta deosebiri fata de ciclul teoretic deoarece:   

- motorul se incarca de fiecare data cu amestec proaspat iar la sfarsitul ciclului agentul de lucru este evacuat in exterior;

- fluidul motor sufera transformari pe timpul ciclului;

- caldura specifica a gazelor variaza cu temperatura lor;

deschiderea supapelor se face cu avans iar inchiderea lor se face cu intarziere fata de punctele moarte, pentru imbunatatirii proceselor de umplere a cilindrilor cu fluid proaspat, respectiv de evacuare a gazelor arse.

a) Ciclul real al motoarelor in patru timpi

In figura 48 este prezentat ciclul real de functionare al unui motor in patru timpi.

Fig. 48 Schema functionala si ciclul motorului cu ardere interna in patru timpi

1-2 admisia; 2-3-4 compresia; 3-4-5 arderea; 5-6 detenta; 6-1 evacuarea gazelor arse

Ciclul motorului in patru timpi se desfasoara pe timpul a doua rotatii ale arborelui cotit, deci pe 720⁰. Cei patru timpi care formeaza ciclul sunt:

I - Admisia La deplasarea pistonului dinspre punctul mort interior catre punctul mort exterior, sub influenta depresiunii care apare in cilindru se produce umplerea cu incarcatura proaspata ( in diagrama portiunea de curba 1 - 2 ). Din considerente hidrodinamice, pentru a se evita laminarea fluidului proaspat care intra in cilindru in vecinatatea punctului mort interior, supapa de admisie se deschide cu un avans a = 5 . 60^o R.A.C. (rotatie arbore cotit), inaintea punctului mort. Acest lucru este posibil deoarece in apropierea punctului mort interior gazele arse se destind pana la o presiune p_r mai mica decat presiunea p_o a fluidului proaspat. Pentru a se asigura o umplere cat mai completa a cilindrului, supapa de admisie mai ramane deschisa dupa trecerea pistonului de punctul mort exterior cu un unghi de intarziere a = 30 . 70^o R.A.C.. Aceasta este favorizata de faptul ca presiunea din cilindru devine egala cu cea atmosferica numai la o anumita distanta a pistonului de punctul mort exterior. Admisia fluidului proaspat dupa trecerea pistonului de punctul mort exterior se numeste postumplere.

Admisia poate fi normala sau fortata.

Admisia normala are loc cand fluidul proaspat patrunde in cilindru sub actiunea mediului ambiant, asociata cu efectul de deplasare a pistonului. In aceasta situatie, fluidul care patrunde in cilindru are presiunea p_o si temperatura T_o.

Admisia fortata (supraalimentarea) are loc cand fluidul proaspat patrunde in cilindru sub actiunea unei suflante, care il comprima in prealabil, asociata cu deplasarea pistonului. Fluidul care patrunde in cilindru are presiunea p_s si temperatura T_s asigurate la iesirea din organul de refulare al suflantei.

II - Compresia, reprezentata pe diagrama prin portiunea 2-3-4, are loc pe timpul deplasarii pistonului de la punctul mort exterior la punctul mort interior. Compresia are urmatoarele roluri:

- sporeste randamentul termic al motoarelor;

- permite aprinderea combustibilului, factor fundamental pentru motoarele cu aprindere prin compresie;

- genereaza miscari organizate ale fluidului motor in camera de ardere ceea ce favorizeaza procesul de ardere la motoarele cu turatie mare.

Compresia influenteaza functionarea motorului, indicele de economicitate si indicele de presiune medie.

Pe timpul compresiei, fluidul din cilindru isi mareste temperatura atat datorita cresterii presiunii cat si ca urmare a prelucrarii unei parti din caldura peretilor cilindrului.

In prima faza, camera de ardere cedeaza caldura fluidului proaspat. O data cu inaintarea pistonului se reduce suprafata de racire. Spre sfarsitul cursei de compresie, la m.a.c. se produce injectarea si vaporizarea unei parti a combustibilului, autoaprinderea si arderea partiala a amestecului carburant, iar la m.a.s. se declanseaza scanteia electrica si de asemenea are loc arderea partiala a amestecului carburant. Datorita presiunilor mari care se creeaza, apar scapari de gaze spre carterul inferior.

Din punct de vedere termodinamic, compresia poate fi considerata un proces politropic complex cu coefientul politropic n_c, unde acesta ia valori intre 1,30 . 1,37 pentru m.a.s. si 1,32 . 1,40 pentru m.a.c..

Parametrul de baza al timpului de compresie il constituie raportul de comprimare e care determina hotarator presiunea la sfarsitul cursei de comprimare p_c.

De asemenea raportul de comprimare influenteaza valoarea randamentului termic conform relatiei:

h_t e ^k-1 (**)

In prezent, valoarea raportului de compresie este limitata pentru m.a.s. la 7 . 12 pentru evitarea aparitiei fenomenului de detonatie, iar pentru m.a.c. la din considerente de rezistenta a pieselor.

III - Arderea si destinderea (detenta) gazelor arse reprezinta timpul cu cel mai complex proces din cadrul ciclului motoarelor cu ardere interna cu piston (portiunea 3-4-5 din reprezentarea ciclului). Procesul arderii combustibilului este o reactie exoterma de oxidare care se desfasoara cu mare viteza. In functie de modul in care se face aprinderea amestecului carburant, aprinderea si arderea au anumite particularitati.

a) La motoarele cu aprindere prin scanteie, aprinderea este provocata de catre o scanteie produsa de o bujie electrica. Aprinderea amestecului este conditionata de temperatura scanteii, care trebuie sa fie mai mare decat temperatura de aprindere a amestecului, dar si de limitele sale de inflamabilitate (valorile lui l_min si l_max ale coeficientului de exces de aer). Timpul scurs de la provocarea scanteii pana la inceperea arderii, necesar transformarilor fizice si chimice care se produc in amestec, se numeste intarziere la aprindere. Pentru a se obtine o putere maxima in timpul arderii, in conditiile unui consum minim de combustibil, este necesar ca declansarea scanteii sa se faca inainte de ajungerea pistonului la punctul mort interior cu un avans unghiular la aprindere de b = 20 . 40⁰ R.A.C..

Dupa aprindere, flacara se propaga in amestec cu o anumita viteza w_n a frontului, viteza care normal are valori de 10 . 60 m/s. In anumite conditii, viteza de propagare a flacarii poate ajunge la valori de 1500 . 2500 m/s (ardere detonanta).

Principalele caracteristici ale arderii in m.a.s. constau in caracterul comandat al aprinderii si gradul inalt de omogenitate al amestecului.

1. Arderea normala

Pentru analiza modului in care se desfasoara arderea se utilizeaza mai multe metode de investigatie.

a) Folosirea diagramei indicate desfasurata p - a (figura49).

Diagrama consta in doua curbe, una pentru evolutia fara aprinderea amestecului si cealalta pentru evolutia in conditiile aprinderii amestecului.

Fig. 49 Dagrama indicata desfasurata pentru studiul arderii in m.a.s.

Din analiza diagramei indicate se observa ca producerea scanteii electrice are loc inainte de terminarea cursei de compresie, in punctul s cu un avans b fata de p.m.i.. Pe portiunea s-d are loc o suprapunere a celor doua curbe. Din punctul d are loc o ardere vizibila cu gradienti de presiune intre 0,5 . 2,5 bar/^oRAC, pana se ajunge la presiunea maxima in punctul y, aflat in zona cursei de destindere. Din acest punct, arderea mai continua pana in punctul t care reprezinta finalul procesului. Caldura degajata pe aceasta portiune se foloseste pentru compensarea pierderilor de caldura prin pereti si pentru lucru mecanic de destindere.

b) Cinematografierea discontinua a ansamblului camerei de ardere se executa printr-o fereastra compacta incorporata in chiulasa.

Fiecare fotografie reprezinta o imagine a camerei de ardere cu pozitia frontului in momentul considerat. Prin suprapuneri de imagine rezulta pozitii succesive ale acestuia, care analizate conduc la urmatoarele concluzii:

Primul nucleu de flacara apare cu o intarziere Da_d fata de momentul declansarii scateii electrice (Da_d = 7^oRAC);

Dupa aparitia focarului initial, flacara se propaga in amestec cu viteze variabile: intai crescatoare, apoi se mentin constante dupa care scad brusc;

Dupa trecerea frontului de ardere prin amestec, gazele de ardere pastreaza o luminiscenta accentuata ceea ce demonstreaza ca reactiile chimice de ardere nu se termina in frontul de flacara ci se continua si in spatele acestuia;

Suprafata frontului de flacara este puternic contorsionata de pulsatiile turbulente din amestec.

b) Filmarea rapida continua a camerei de ardere se face tot prin fereastra de cuart, folosind pelicula fotografica. In acest mod se evidentiaza viteza de deplasare a frontului de flacara. Au rezultat urmatoarele concluzii:

Se confirma existenta perioadei de intarziere la aprindere Da_d

Perioada in care frontul de flacara are o viteza relativ scazuta dar cu gradienti mari tine aproximativ pe 10% din parcursul frontului;

Peroada in care frontul are viteze mari dar aproximativ constante tine aproximativ pe 85% din parcursul frontului. In aceasta perioada are loc stabilizarea vitezei datorita contactului cu peretii camerei de ardere;

Restul parcursului frontului de flacara (aproximativ 5%) se caracterizeaza prin scaderi rapide ale flacarii, pana la anulare.

Dezavantajul procedeului consta in faptul ca prezinta desfaturarea procesului de ardere pe o singura directie si intr-o anumita zona a camerei de ardere. Prin folosirea mai multor ferestre de cuart se obtine configuratia generala a frontului de flacara.

Mecanismul desfasurarii arderii normale

Procesul se desfasoara in trei faze:

I - faza intiala (Da_d)- dupa declansarea scanteii pana la desprinderea curbelor. In aceasta faza are loc intarzierea la aprindere si arderea cu nucleu redus. Intra in reactie numai 3 . 5% din combustibil.

II - faza de propagare a frontului (d-y) in care amestecul este cuprins treptat dar complet de flacara. In aceasta faza arde cea mai mare parte din combustibil si se degaja 70 . 80% din caldura.

III - faza arderii intarziate (postarderea) (y-t) in care amestecul combustibil este ars in spatele frontului, in straturile de langa pereti sau in eventualele "pungi". Aceasta faza influenteaza negativ randamentul termic prin prelungirea arderii si mai are ca efect arderea uleiului de pe peretii cilindrului ceea ce accelereaza uzura.

Pentru reducerea procesului duratei de ardere si imbunatatirea randamentului termic exista urmatoarele cai:

reducerea duratei de propagare prin marirea vitezei frontului de flacara sau prin reducerea parcursului sau;

reducerea adancimei zonei de reactie prin marirea caldurii degajate in faza de propagare si micsorarea duratei fazei de ardere intarziata.

Influente asupra arderii normale

Influenta factorilor de stare

Turbulenta este maxima in jurul punctului mort interior la sfarsitul compresiei (pe aproximtiv 30^oRAC). Viteza medie de propagare a frontului de flacara este proportionala cu intensitatea turbulentei.

Asupra fazelor arderii, turbulenta are urmatoarele influente:

in faza I la cresterea turbulentei se mareste schimbul de caldura intre nucleul de ardere si amestecul proaspat mai rece din jur.

In faza a doua, cresterea turbulentei conduce la contrarea frontului de flacara ceea ce are ca efect faramitarea flacarii, creearea de pungi cu amestec nears in spatele frontului, si in acelasi timp determina cresterea suprafetei pe care este ars combustibilul.

Dozajul (figura 50).

Fig. 50 Influenta dozajului asupra unor indici si marimi caracteristice

Din studiul diagramei seobserva ca exista doua limite de inflamabilitate: limita inferioara de inflamabilitate (LII) si limita superiora de inflamabilitate (LSI). Viteza de ardere este maxima in zona amestecurilor bogate. Cu ajutorul dozajului se poate varia viteza de ardere in limite foarte largi, dar numai intre limitele de inflamabilitate.

La viteza de ardere maxima se obtin puterea si randamentul maxim, ceea ce inseamna ca puterea maxima se realizeaza in regim neeconomic. Deoarece, asa cum rezulta din diagrama, o anumita viteza de ardere se poate obtine cu doua dozaje, este de preferat folosirea zonei hasurate. Trebuie insa remarcat faptul ca la dozaje prea sarace creste postarderea datorita aprinderii amestecului din galeria de admisie.

Temperatura initiala. Viteza de ardere scade cand temperatura initiala creste, datorita cresterii vascozitatii dinamice a gazelor ceea ce conduce la reducerea intensitatii turbulentei.

Presiunea initiala in conditiile in care creste, conduce la reducerea duratei fazelor I ti II, ceea ce determina cresterea vitezei de ardere.

Cantitatea de gaze reziduale influenteaza negativ, in sensul ca o data cu cresterea cantitatii de gaze de ardere scade viteza de ardere. In plus, gazele de ardere sunt inhibatori, molecule inerte care intrerup lanturile de reactie.

2 Influenta factorilor functionai

Turatia Viteza de ardere creste o data cu turatia. Acest fapt permite functionarea la turatii variabile si marirea turatiei. Pentru viteza de aredere constanta se obtine o crestere a perioadei de ardere. Totodata la cresterea turatiei, creste perioada initiala (faza I) si creste turbulenta, ceea ce conduce la scaderea duratei fazei a doua, fenomen predominant.

Sarcina. O data cu scaderea sarcinii, scade turbulenta si creste proportia de gaze reziduale. Totodata scade viteza de ardere, deoarece se mareste durata tuturor fazelor, ceea ce reprezinta un dezavantaj pentru m.a.s. care functioneaza des la sarcini partiale.

Avansul la producerea scanteii electrice. Intarzierea scanteii (la p.m.i. sau dupa) conduce la continuarea arderii in destindere, scaderea vitezei de ardere si scaderea presiunii. Daca avansul este in exces, faza intai se desfasoara in comprimare, ceea ce conduce la realizarea prsiunii maxime in cursa de comprimare, inainte de p.m.i. si aparitia unor contrapresiuni, fenomen care afecteaza durabilitatea motorului. Totodata caldura degajata in destindere scade ceea ce determina scaderea lucrului mecanic util al motorului.. Avnsul este optim cand faza a II-a se plaseaza simetric fata de p.m.i.. In aceste conditii se obtine presiune maxima cu consum specific minim. Pentru realizarea acestui deziderat se utilizeaza dispozitive automate de avans, de tip centrifugal, sensibile la variatia de turatie. Pentru corelarea avansului la aprindere cu sarcin se mai utilizeaza dispozitive automate de avans cu comanda pneumatica.

Influenta factorilor constructivi

Raportul de compresie e Cand raportul de compresie creste, creste viteza de ardere, cresc presiunea si temperatura la sfarsitul procesului de comprimare si scade proportia de gaze reziduale.

Arhitectura camerei de ardere Daca se scurteaza drumul flacarii, arderea dureaza mai putin. Compactitatea camerei de ardere este data de raportul    C_c = V_c/S_c in care V_c reprezinta volumul total al camerei de ardere, iar S_c volumul degajat de piston intr-o cursa. Daca compactitatea camerei de ardere este mare, creste viteza de ardere. In variantele vechi de motoare se utilizau camere in forma de T sau L care asigurau valori mici ale coeficientului de compactitate.

Totodata, o influenta majora o are pozitia bujiei. Pozotia ideala este centrala. Pentru injumatatirea drumului flacarii, se pot utiliza doua bujii opuse.

Turbulenta este influentata prin profilarea camerei. De regula se utilizeaza praguri care expulzeaza incarcatura proaspata la finele comprimarii in zone in care intra in miscare turbulenta. Se utilizeaza camere tip Ricardo sau camere in forma de I profilate.

Fig. 5.51 si 5.53/223 Gr

Fig.4.19/174 Linte

Fig. 51 Forme ale camerelor de ardere la m.a.s.

ARDEREA DETONANTA

Arderea detonanta este caracterizata prin doua aspecte:

a) aspectul chimic, caracterizat de autoaprinderea amestecului initial din fata frontului de flacara;

b) aspectul fizic caracterizat prin propagarea unor puternice oscilatii de presiune.

a) Autoaprinderea se datoreaza unor reactii chimice de oxidare din fata frontului de flacara. In consecinta, apar unele nuclee de flacara rece, care se propaga cu viteze foarte mari (de nivelul zecilor de m/s). Dupa acestea apar nucleele de flacara albastra care se propaga cu viteze si mai mari, iar la sfarsit apar nuclee de flacara calda care se propaga cu viteze de ordinul miilor de m/s.

b) Formarea undelor de soc si detonatia Datorita vitezelor de ardere foarte mari au loc o succesiune de autoaprinderi a unor volume invecinate de amestec ceea ce conduce la un dezechilibru local de presiune, Ca urmare apare o unda de soc care reflectata de pereti determina aprinderea amestecului in front rezultand o unda detonanta.

Datorita arderii cu viteze de ardere foarte mari rezulta o cantitate de caldura degajata foarte mare, cu gradienti de presiune foarte mari. Are loc un dezechilibru local de presiune care determina miscari oscilante ale gazelor care ajunse la peretii cilindrului produc sunete metalice caracteristice datorita oscilarii cilindrului. Arderea continua si in destindere, ceea ce duce la existenta unor particule de carbon nears, materializate prin aparitia unui fum negru la evacuare. Totodata cresc pierderile de caldura prin pereti (fenomenul de convectie), ceea ce conduce la reducerea temperaturii gazelor de ardere. Arderea este incompleta si datorita pierderilor de caldura scad randamentul si puterea motorului. Datorita arderii filmului de ulei de pe cilindii, se accentueaza uzura. Datorita undei de soc si detonatiei, apar gradienti mari de presiune care produc deteriorari mecanice ale organelor motorului.

Cai de combatere a detontiei:

Detonatia pote fi evitata prin micsorarea lungimii frontului de flacara, prin marirea vitezei de ardere datorata intensificarii turbulentei, prin micsorarea gradului de comprimare finala si limitarea incalzirii amestecului in zona finala si prin utilizarea combustibililor cu cifra octanica ridicata.

ARDEREA INITIATA DE APRINDERI SECUNDARE

In cazul aparitiei aprinderilor secundare, motoarele puternic incalzite functioneaza neregulat o perioada scurta de timp, chiar si dupa intreruperea scanteii electrice, ceea ce denota ca in camera de ardere au aparut noi surse de aprindere ((surse secundare). Fenomenul este diferit fata de detonatie, deoarece detonatia inceteaza la intreruperea scanteii.

Aprinderea secundara poate fi preaprindere sau postaprindere, in ambele cazuri se creeaza fronturi secundare care pot fi in paralel cu frontul normal sau inaintea acestuia.

In cazul raporturilor de comprimare mari, rezulta mai multe focare de aprindere secundara care au ca efect cresterea presiunii maxime.

Sursele de aprindere secundara pot fi: calamina ajunsa la incandescenta, suprafetele sau punctele calde de la bujie, supapele de evacuare, piston, etc.

Arderea secundara si detonatia se influenteaza reciproc, fiecare dintre ele favorizand aparitia celuilalt proces.

Arderea initiata de aprinderi secundare are ca efecte negativie reducerea puterii si economicitatii motorului si functionarea brutala a motorului.

B)       ARDEREA IN MOTORELE CU APRINDERE PRIN COMPRESIE

Spre deosebire de motorul cu aprindere prin compresie, la motoarele cu aprindere prin compresie amestecul este neomogen. Aprinderea amestecului are loc pentru o gama larga de coeficient de dozaj: l = 1,2 . 8 si se caracterizeaza prin amestecarea incompleta a combustibilului cu oxigenul din aer. In aceste motoare, timpul disponibil pentru formarea amestecului este de 5 . 8 ori mai mare decat la m.a.s..Din aceasta cauza, aparitia nucleului de flacara are loc inaintea finalizarii amestecului, ceea ce conduce la scaderea randamentului, solicitari mecanice, aparitia zgomotelor si vibratiilor si scaderea fibilitatii motorului.

La motoarele cu aprindere prin compresie procesul este mai complex decat in cazul motoarelor cu aprindere prin scanteie. Pentru studiere, procesul poate fi impartit conventional in mai multe faze:

- inainte ca pistonul sa ajunga la punctul mort interior, cu un avans de 10 . 20⁰ R.A.C., in cilindru se injecteaza o cantitate de combustibil reprezentand 15 . 30% din totalul combustibilului utilizat pe timpul unui ciclu intr-un cilindru, care in momentul de presiune maxima se autoaprinde, provocand o crestere brusca a presiunii;

- faza arderii treptate, care corespunde unei variatii usoare a presiunii, cand flacara se raspandeste in intregul volum al camerei de ardere; terminarea arderii, pe timpul procesului de destindere.

Investigatia arderii in aceste motoare se face asemanator cu investigatiile de la m.a.s.

a) Folosirea diagramei indicate desfasurata

Fig. 6.1/241 Gr

Fig. 52 Diagrama indicata desfasurata

Digrama indicata servestn la fel ca in cazul m.a.s. cu urmatoarele precizari

i - reprezinta punctul de ridicare a acului injectorului;

b - reprezinta avansul la injectie.

Si in acest caz avem tot trei faze ca si la m.a.s.:

Faza I, i - d este faza initiala (intarziera la declansarea arderii rapide);

Faza II, d - y ; faza arderii rapide cu gradienti de presiune cu cateva ori mai mari decat la m.a.s..

Faza III y - t faza arderii moderate. In cadrul acestei faze pe portiunea y - y` presiunea ramane aproximativ constanta, iar pe portiunea y`-t temperatura ramae constanta si presiunea scade. La motoarele lente faza I tinde catre zero, iar la motoarele rapide zona y-y tinde catre zero.

b) Fotoinregistrari Se efectueaza cu pelicula color cu 15.000 de cadre pe minut. Se utilizeaza un motor tip Ricardo la care chilasa este inlocuita de o fereastra de cuart.

De remarcat ca injectia de combustibil care se continua o data cu procesul arderii, intr-un timp scurt, nu asigura un amestec omogen de aer si vapori de combustibil, coeficientul de exces de aer l fiind variabil in spatiul camerei si pe durata procesului de ardere.

Din analiza inregistrarilor rezulta ca dupa aparitia primuli nucleu de flacara la periferia unui jet se dezvolta frontul de flacara. Apoi apare un nou nucleu de flacara care conduce la extinderea flacarilor in intregul amestec. Arderea continua si dupa terminarea injectiei, continuand pana la stingerea flacarii in destindere.

Fazele arderii in m.a.c..

a) Faza initiala (intarzierea la declansarea arderii rapide) In aceasta

faza, are loc pulverizarea combustibilului, vaporizarea lui partiala si amestecul cu aerul. Totodata au loc reactiile de oxidare partiala a combustibilului. Are loc vaporizarea combustibilului si scaderea temperaturii datorita consumului de caldura. In aceasta faza apare si primul nucleu de flacara.

b) Faza arderii rapide se caracterizeaza prin viteze de ardere si gradienti de presiune foarte mari. Totusi viteza de ardere este mai mica decat in cazul m.a.s.. In aceasta faza se degaja 2050% din cantitatea totala de caldura disponibila pe ciclu. Are loc o dezvoltare rapida a frontului de flacara in amestecurile preformate, iar in pungile de amestecuri preformate, viteza de ardere atinge valorile de 100 . 200 m/s (ardere cu flacari reci sau albastre). Datorita caracterului turbulent al propagarii, apar presiuni foarte mari care conduc la functionarea violenta a m.a.c.. Daca aceasta este insotita de zgomote si trepidatii se produce detonarea Diesel, care insa se propaga fara unda de soc.

c) Faza arderii moderate. In aceasta faza viteza de ardere si viteza de degajare a caldurii au valori reduse fata de faza anterioara (aproximativ de 4 ori mai mici). Acum intra in reactie combustibilul nears si cel eventual nou injectat.. Cresc presiunea si temperatura si se ajunge la o viteza de vaporizare a combustibilului ridicata. Procesul de formare a amestecului combustibil-aer este influentat de gazele de ardere rezultate din faza precedenta, astfel incat formarea amestecului are loc concomitent cu arderea.

Influente asupra arderii la motoarele cu aprindere prin compresie

Influentele factorilor de stare

Temperatura si presiunea sunt influentate de supraalimentare, raportul de compresie, gradul de incalzire a aerului admis in cilindri si de momentul de declansare a injectiei.

Cresterea presiunii de admisie determina reducerea fazei I, cresterea presiunii maxime care la randul ei determina cresterea randamentului prin cresterea coeficientului de dozaj si prin asigurarea unei arderi complete. Totodata scad gradientii de presiune. Supraalimentarea motorului asigura o functionare mai linistita, dar cresc solicitarile mecanice.

Miscarea organizata a aerului poate fi influentata prin arhitectura camerei de ardere. La m.a.c. rapide se asigura o miscare organizata a aerului intensa care intensifica transferul de caldura dintre fluid si pereti, creind dificultati la pornirea pe timp rece si scaderea randamentului datorita consumului de lucru mecanic pentru producerea miscarii si transferului unei parti din caldura catre perete.

Calitatea amestecului Pentru arderea amestecurilor neomogene este necsar mai mult aer, ceea ce presupune utilizarea amestecurilor sarace. In general se utilizeaza un coeficient de exces de aer l = 1.05 . 1,28. Daca acest coeficient este prea mic apare o lipsa locala de oxigen care conduce la aparitia fumului la evacuare datorita carbonului nears, aparitia depozitelor de carbon in camera de ardere, supraincalzirea pistonului, cocsarea segmentilor si existenta unor solicitari mecanice mari. Toate acestea conduc la micsorarea sigurantei in functionare si a durabilitatii motorului.

Coeficientul de exces de aer, din aceste considerente este limitat (limita de fum) la l_LF

Influentele factorilor functionali

Avansul la injectie previne deplasarea arderii in detenta. Daca avansul la injectie este prea mare se ajunge la un mers brutal (ca la m.a.s.).

Regimul termic al motorului. Daca regimul termic scade sub temperatura normala, creste durata fazei I, cresc gradientii de presiune si presiunea maxima.

Sarcina O data cu reducerea sarcinii creste durata fazei I, cresc gradientii de presiune, scade temperatura la inceputul injectiei ceea ce conduce la scaderea regimului termic. Totodata scade doza de combustibil asfel incat l = 5 . 7 ceea ce asigura arderea completa cu randament termic ridicat.

Turatia Cand turatia creste, creste regimul termic si scad pierderile de caldura prin pereti (creste temperatura la inceputul injectiei). Totodata se imbunatateste pulverizarea si se micsoreaza durata fazei I. Totusi cresterea turatiei prezinta urmatoarele neajunsuri: motorul functioneaza mai violent, creste presiunea maxima, arderea se deplaseaza in destindere, se micsoreaza timpul disponibil pentru formarea amestecului si scade randamentul datorita prelungirii postarderii. Din aceste considerente, la m.a.c. turatia este limitata la 2200 . 2800 rot/min pentru motoarele mari si la 4000 . 5000 rot/min la motoarele pentru autoturisme.

Influentele factorilor constructivi

Raportul de compresie Daca raportul de compresie creste, acesta conduce la cresterea presiunii si temperaturii de admisie si la scurtarea duratei fazei I. Motorul functioneaza mai linistit deoarece scade presiunea maxima si in acelasi timp pornirea la rece devine mai usoara. In mod curent pentru m.a.c. e

Dimensiunile cilindrilor La cresterea alezajului este necesar un proces complex de injectie pentru utilizare completa a aerului periferic, ceea ce impune o presiune de injectie mare.

Caracteristicile injectiei In cazul maririi orificiului de injectie pulverizarea este grosolana, ceea ce conduce la marirea duratei fazei I.

Arhitectura camerei de ardere

Dupa modul de distributie a combustibilului distingem:

Camera de ardere unitara (cu injectie directa) poate fi:

cu distributia combustibilului in volum (procedeul traditional). Jetul de combustibil se injecteaza in masa de fluid motor fara ca, combustibilul sa ia contact cu peretele camerei de ardere;

cu distributia combustibilului in pelicula, situatie in care combustibilul este injectat pe un perete cald.

Dupa forma capului de piston distingem:

camere de ardere cu capul pistonului plat sau modelat dupa forma jetului;

camere de ardere cu compartiment in capul pistonului (figura 53)

Fig.1.35/56 Basil

Fig. 53 Camere de ardere nedivizate

La aceste camere se ia in calcul raportul dintre deschiderea partii evazate si alezaj (deschiderea relativa d = D_e/D). Dupa valoarea deschiderii relative distingem:

camere cu deschidere mare d = 0,5 . 0,7 caracteristica pentru camerele traditionale, cu distributie in volum;

camere cu deschidere medie d = 0,35 . 0,45 pentru distributia combustibilului in pelicula;

camere cu deschidere mica d = 0,28 . 0,35 pentru motoarele cu alezaj mediu D = 120 . 125 mm.

Camera de ardere divizata (impartita) care este compusa din doua compartimente:

compartimentul de volum constant (CVC sau CS - compartiment separat) care este plasat in chiulasa sau in blocul cu cilindri;

compartimentul de volum variabil (CVV) care este limitat de chiulasa, cilindru si piston (camera de ardere propriuzisa).

Cele doua compartimente comunica intre ele prin canale. Combustibilul se injecteaza in CS unde se desfasoara faza I, cu aparitia flacarii initiale si o ardere partiala a combustibilului, ceea ce asigura o crestere a presiunii pana la 30 daN/cm², care realizeaza deplasarea fluidului din CS in CVV cu viteza mare (150 . 300 m/s). Arderea continua in cilindru. Procesul are loc cu pierderi gazodinamice mari.

Procedeul prezinta urmatoarele avantaje:

se limiteaza arderea violenta la nivelul CSS

se genereaza o miscare a fluidului motor de mare energie;

se reduce durata de desfasurare a fazei I;

creste viteza de formare a amestecului.

Toate aceste avantaje permit cresterea turatiei la motoarele performante pest 4000 rot/min.

Se intalnesc doua tipuri de camere divizate:

a) camere de ardere cu compartiment separat de preardere (CSP) care are un compartiment separat (CS) plasat central sau lateral si o piesa in care sunt practicate orificiile sau canalele de legatura (2 . 8) care au diametre intre 3 . 10mm. In CS temperatura ajunge la 600 . 800 ^oC pe timpul functionarii. La trecerea prin canale are loc o a doua pulverizare a combustibilului, ceea ce permite utilizarea injectoarelor cu un singur orificiu si folosirea unei presiuni de injectie redusa, de 100 . 150 daN/cm², ceea ce asigura simplitate constructiva.

b) Camera de ardere cu compartiment separat de vartej (CSV) tip Ricardo sau Comet. Compartimentul separat (CS) de forma sferica sau cilindrica este practicat in chiulasa. Exista un singur canal de legatura cu diametru de 15 . 20 mm care asigura miscarea de vartej care favorizeaza formarea amestecului.

Tab.7

Dependenta indiciilor de perfectiune ai m.a.c de tipul camerei de ardere

Destinderea reprezinta partea din ciclul motor in care se produce cea mai mare parte din lucrul mecanic disponibil, prin cedarea unei parti din energia interna a fluidului motor sub forma de lucru mecanic pistonului. Pe timpul destinderii, compozitia si masa fluidului motor raman practic invariabile. Curba de destindere este o curba politropa, avand exponentul variabil cu valori cuprinse intre 1,1 . 1,5.

Intervalul de timp in care se desfasoara destinderea este cuprins intre momentul incetarii arderii si momentul deschiderii supapelor de evacuare. Practic, inceputul destinderii se situeaza la 30 . 60⁰ R.A.C. dupa punctul mort interior, iar sfarsitul la 40 . 70⁰ R.A.C. inainte de punctul mort exterior, astfel incat procesul se desfasoara pe aproximativ jumatate din cursa pistonului.

Pe timpul destinderii are loc un proces exoterm de resociere a gazelor datorita scaderii temperaturii, proces in urma caruia se aduce un aport nesemnificativ de caldura de catre fluidul motor.

Totodata are loc un transfer de caldura intre gaz si perete care are ca efect scaderea ranamentului indicat, cresterea temperaturii pieselor din camera de ardere si fortarea sistemului de racire care pe timpul destinderii preia cea mai mare cantitate de caldura.

Influente asupra procesului de destindere

Turatia La cresterea turatiei creste durata arderii dupa atingerea presiunii maxime si se reduce durata procesului de destindere.

Sarcina Cand scade sarcina la m.a.c., creste coeficientul de dozaj ceea ce favorizeaza scurtarea timpului de ardere. Aceasta mai este favorizata si de intensificarea miscarii fluidului.

IV - Evacuarea gazelor arse reprezinta partea din procesul de schimbare a gazelor in cursul careia gazele de ardere parasesc cilindrul. La motoarele cu admisie fortata, gazele evacuate din cilindru actioneaza turbina din cadrul turbosuflantei.

Deoarece gazele reziduale micsoreaza volumul disponibil pentru fluidul proaspat, deschiderea supapelor de evacuare trebuie sa se produca inainte de ajungerea pistonului in punctul mort exterior pe timpul destinderii si sa se mentina deschise inca o perioada b = 10 . 72⁰ R.A.C. dupa trecerea pistonului de punctul mort. Intrucat si supapele de admisie se deschid cu un avans a fata de punctul mort exterior, rezulta ca exista un unghi (a₁ , b₂) numit unghi de acoperire, in care toate supapele sunt deschise. Unghiul de acoperire difera in functie de tipul motorului: la motoarele cu carburatoare (rapide) este de 5 . 45⁰ ; la motoarele cu autoaprindere normale de 10 . 60⁰ iar la motoarele supraalimentate variaza intre 100 . 150⁰.

La motoarele supraalimentate, fiind indeplinita conditia p_s p_g, fluidul proaspat introdus in cilindru obliga gazele de ardere sa-l paraseasca, ceea ce conduce la diminuarea procentului de gaze reziduale pana sub 1%, proces cunoscut sub denumirea de baleiaj.

b) Ciclul real al motoarelor in doi timpi

In cazul motoarelor in doi timpi, utilizate pentru sporirea obtinuta pe cilindru, prin obtinerea unei curse utile la o rotatie a arborelui cotit, ciclul motor are diagrama ca in figura 54

Fig. 54 Schema functionala si ciclul motorului cu ardere interna in doi timpi

1-deschiderea luminilor de baleiaj; 2-inchiderea luminilor de baleiaj;

3-inchiderea luminilor de evacuare;   3-4 comprimarea; 4-aprinderea amestecului;

4-6 arderea; 6-7 destinderea gazelor de ardere; 7-deschiderea luminilor de evacuare

Acest ciclu se caracterizeaza prin faptul ca procesul evacuarii gazelor din cilindru si umplerea lui cu fluid proaspat se realizeaza concomitent. Baleiajul, in functie de traiectoria curentului in cilindru se poate executa in bucla sau in echicurent. Locul supapelor este luat de luminile de baleiaj pentru admisia fluidului proaspat in cilindru, respectiv luminile de evacuare pentru evacuarea gazelor arse. Aceste lumini sunt fante practicate in peretii cilindrului in legatura cu colectoarele respective, pistonul jucand rol de sertar.

Incarcatura proaspata este initial comprimata intr-o suflanta pana la presiunea p_s = 1,3 bar ceea ce asigura evacuarea fortata a gazelor arse din cilindru.

Aprinderea amestecului combustibil se poate face prin scanteie sau prin autoaprindere.

Cei doi timpi ai ciclului sunt:

I - corespunde deplasarii pistonului de la punctul mort interior la punctul mort exterior si cuprinde: terminarea procesuli de ardere, destinderea gazelor, inceputul evacuarii gazelor si inceputul baleiajului

II - corespunde deplasarii pistonului de la punctul mort exterior la punctul mort interior, timp in care au loc urmatoarele procese: terminarea baleiajului si a evacuarii gazelor, umplerea cilindrului cu incarcatura proaspata, comprimarea incarcaturii, aprinderea si inceputul procesului de ardere a amestecului combustibil.

Fata de motoarele in patru timpi, motoarele in doi timpi prezinta urmatoarele avantaje:

sporirea puterii litrice;

uniformitate mai mare in functionare;

simplificarea sistemului de distributie si a constructiei chiulasei.

Dintre dezavantaje se remarca:

necesitatea unei pompe de baleiaj (suflanta);

- solicitare termica mai mare a pieselor;

procesele de umplere a cilindrului cu fluid proaspat si evacuare a gazelor arse sunt mai complexe.

4 PRINCIPALII PARAMETRI AI MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA CU PISTON

dintre parametrii principali, care dau informatii asupra performantelor motorului si asupra posibilitatilor de imbunatatire ale acestora, prezinta o importanta deosebita urmatorii: lucrul mecanic, presiunea medie, puterea, momentul motor, randamentul si consumul specific de combustibil.

Valorile parametrilor obtinute in interiorul motorului pe timpul desfasurarii unui ciclu se numesc valori ale parametrilor indicati, iar valorile parametrilor rezultate in urma interactiunii motorului cu consumatorul pe parcursul unui ciclu se numesc valori ale parametrilor efectivi.

4.1 Parametrii indicati

In figura 55 este prezentata diagrama indicata a unui motor in patru timpi. Aceasta diagrama serveste pentru: determinarea indicilor de perfectiune ai ciclului: presiune, randament, consum specific, etc.; stabilirea dimensiunilor fundamentale ale motorului si pentru calculul solicitarilor mecanice si termice din organele mecanismului motor.

Fig. 50 Diagrama indicata a unui motor in patru timpi

Aceasta diagrama este alcatuita din doua bucle: bucla mica (1-2-2'-1) denumita diagrama indicata de joasa presiune sau diagrama de pompaj si bucla mare (2'-3-4-5-2') denumita diagrama indicata de inalta presiune.

Lucrul mecanic indicat (L_I)

Lucrul mecanic corespunzator buclei mici (L_p), la motoarele cu admisie normala este considerat negativ si reprezinta lucrul mecanic de pompaj consumat pe timpul proceselor de admisie si evacuare. Lucrul mecanic corespunzator ariei buclei mari este pozitiv si indica lucrul mecanic produs, numit lucru mecanic indicat (Li). Lucrul mecanic schimbat de gazele din cilindru cu pistonul, pe timpul efectuarii unui ciclu motor, se numeste lucru mecanic indicat rezultant al unui ciclu (L_ir).

L_ir = L_I L_p  [N.m] (6 )

Intrucat L_p este inclus in randamentul mecanic, toti parametrii indicati se refera la L_i.

Lucrul mecanic indicat este proportional cu cilindreea V_s. In valoare absoluta, el este un indice de performanta al unui motor (arata daca un motor este cantitativ superior altuia prin lucrul mecanic total dezoltat), dar nu este un indice de perfectiune (calitativ).

Presiunea medie indicata (p_I) reprezimta un factor fundamental de comparatie a motoarelor. Ea arata cat lucru mecanic indicat se poate obtine dintr-un litru de cilindree.

P_I = L_i/V_s [N/m²] (7)

relatie in care V_s reprezinta cilindreea unitara.

Puterea indicata (P_I) se obtine in baza lucrului mecanic indicat:

P_I = L_i.i.n [Kw] (8)

unde: I reprezinta numarul de cilindri ai motorului;

n este turatia motorului.

Inlocuind lucrul mecanic din relatia (7) obtinem:

P_I = p_i.V_s.i,n/30000n [Kw] (9)

cu n - numarul de timpi ai motorului.

Randamentul termic indicat (h_I este un criteriu de apreciere a eficientei economice a motorului. El reprezinta raportul dintre lucrul mecanic indicat si caldura disponibila prin arderea completa a combustibilului Q_dis:

h_i = L_i/Q_dis   [%] (10)

relatie in care   Q_dis = Q_i.m_c

Qi -puterea calorifica inferioara a combustibilului;

m_c = cantitatea de combustibil pe ciclu, pentru un cilindru (doza de combustibil).

Consumul specific indicat de combustibil (c_I) serveste pentru aprecierea eficientei economice a ciclului. Se bazeaza pe valorile consumului orar de combustibil C_e, valori determinate direct pe stand.

C_I = 10C_e/P_I [g/Kw.h] (11)

4.2 Parametrii efectivi

Motoarele cu ardere interna consuma o parte din lucrul mecanic dezvoltat in cilindri pentru invingerea rezistentelor interioare (consum propriu de lucru mecanic) determinat de antrenarea sistemelor auxiliare si de frecarile din interiorul motorului. Ca urmare, lucrul mecanic disponibil pentru consumator este mai mic decat lucrul mecanic indicat.

Lucrul mecanic efectiv (L_e) reprezinta lucrul mecanic cedat consumatorului de catre un cilindru al motorului pe durata unui ciclu. Lucrul mecanic efectiv dezvoltat de toti cilindrii motorului i.L_e

Presiunea efectiva (p_e) se defineste analog cu p_I:

p_e L_e/V_s  [N/m²] (12)

Randamentul mecanic (h_m arata gradul de perfectiune a proceselor mecanice ale motorului.

h_m = L_e/L_I = p_e/p_I   [%] (13)

Substituind p_I din relatia (9) obtinem puterea efectiva (P_e):

P_e = p_e.V_s.i.n/300.n [Kw] (14)

cu p_e masurata in daN/cm².

Momentul motor efectiv (M_e) este momentul dezvoltat de motor la cuplajul de legatura cu consumatorul:

M_e = 9550.P_e/n [N.m] (15)

Randamentul efectiv (h_e se determina in baza relatiei (13), substituind L_I in relatia (10):

h_e = L_e/Q_I = h_i h_m [%] (16)

Consumul specific de combustibil efectiv (c_e) reprezinta consumul de combustibil necesar pentru producerea unei unitati de lucru mecanic efectiv:

c_e = 10C_e/P_e    [g/Kw.h] (17)

sau: c_e = c_i/h_m (18)

Din ultima relatie se observa ca valorile efective ale consumurilor specifice sunt mai mari decat cele indicate, din cauza consumului propriu de lucru mecanic pentru invingerea rezistentelor interioare.

Tab. 8

Indicii de performanta ai motoarelor