PAGE 18
1.Constructia si functionarea motorului in patru timpi
Figura 1 prezinta schema constructiva a unui motor in patru
timpi.
In cilindrul 1 se deplaseaza pistonul 2 antrenat prin
intermediul bielei 3 de la manivela 4 a arborelui cotit.Chiulasa 5
asezata in capul cilindrului, contine orificiul pentru supapa de
admisie S.A. si supapa de evacuare S.E., precum si orificiul 6
pentru bujie (MAS) sau injector (MAC). Incarcatura proaspata din
colectorul de admisie 7, patrunde in cilindru prin canalul de
admisie si poarta supapei de evacuare 10, canalul de evacuare 11 si
colectorul de evacuare 12. La partea inferioara a cilindrului si
partea inferioara a carterului 15 se formeaza baia de ulei.
Functionarea unui astfel de motor, cu aprindere prin scanteie si
umplere normala, poate fi urmarita concomitent pe shema motorului
si in diagrama 1 b.
Amestecul carburant din colectorul de admisie patrunde in
cilindru prin canalul de admisie si poarta supapei de admisie, din
momentul in care, in cursa de admisie (a-b), presiunea gazelor arse
ramase in cilindru (gaze reziduale) scade sub cea exterioara,
p0.
Pentru aceasta supapa de admisie trebuie deschisa cu un oarecare
avans (punctul d.s.a) pentru a putea oferi atunci cand amestecul
carburant ajunge la sectiunea maxima de deschidere. Inchiderea
acestei supape se realizeaza cu o oarecare intarziere ( punctul
i.s.a) in momentul in care presiunea gazelor din cilindru atinge
valoarea celei din exterior. In acest moment in cilindru este
inchisa o anumita cantitate de gaze provenita prin amestecarea
incarcaturii proaspete (amestecul carburant) cu gazele
reziduale.Acest amestec este numit initial.
Procesul de comprimare (b-c)a amestecului initial incepe in
momentul terminarii admisiei si se termina in momentul inceputului
arderii (punctul A).Arderea se desfasoara vizibil cu cresterea
puternica a presiunii (A-c-z).Destinderea gazelor arse (g-d) are
loc pana in momentul deschiderii supapei de evacuare (punctul
d.s.e) care se face inainte de sfarsitul cursei pentru o evacuare
mai rapida a gazelor arse din cilindru (supapa de evacuare sa ofere
o deschidere maxima ). Inchiderea acestei supape (punctul i.s.e) se
face dupa o cat mai completa evacuare a gazelor arse din cilindru
si are loc dupa terminarea cursei, cu toate ca presiunea gazelor
din cilindru scade sub presiunea p0, deoarece trebuie folosit
efectul inertional al coloanei gazelor ce se evacueaza.Volumul
minim ocupat de gazele din cilindru se numeste volumul camerei de
ardere sau de comprimare V0, pozitia corespunzatoare fiind
P.M.I.Volumul maxim al cilindrului ocupat de gaze se numeste
volumul total al cilindrului Va, pozitia pistonului fiind
P.M.E.
Volumul descris de piston in cursa s, intre punctele moarte se
numeste cilindree sau capacitate cilindrica Vs.
Suma cilindreelor tuturor cilindrilor (cand motorul este
policilindric) constittue cilindreea totala sau litrajul.
unde i este numarul de cilindri identici ai motorului.
Raportul dintre volumul maxim al cilindrului si cel minim Va/V0=
se numeste raport de comprimare.2.Constructia si functionarea
motorului in doi timpiIn figura 2 (a si b) sunt reprezentate schema
elementara a unui motor in doi timpi cu umplere fortata si ciclul
sau functional in diagrama p-V.
La acest motor amestecul carburant este introdus in cilindru,
din colectorul de baleiaj, prin luminile ( ferestrele) de baleiaj
sau umplere l.b, la o presiune psf superioara celei exterioare.
Presiunea de baleiaj superioara celei atmosferice p0 se creeaza de
obicei, printr-o comprimare in carter de catre piston in cursa
descendenta, carterul trebuind sa fie etans. Gazele arse sunt
eliminate din cilindru prin luminile (ferestrele) de evacuare l.e.
Incarcatura proaspata ajunge la carter prin luminile de intrare sau
primire l.p.Deschiderea si inchiderea luminilor este comandata de
catre piston.
Din momentul in care luminile de evacuare sunt acoperite de
catre piston in cursa ascendenta (punctul i.l.e) incepe procesul de
comprimare a amestecului initial. Dupa aprindere (punctul A),
incepe arderea vizibila in diagrama prin crestera insemnata a
presiunii gazelor (A-c-z). Destinderea gazelor arse dureazan pana
cand pistonul descopera luminile de evacuare (punctul d.l.e).
Presiunea gaazelor din cilindru scade mult mai pronuntat ca urmare
a evacuarii libere a gazelor in exterior. In momentul in care
presiunea gazelor din cilindru devine egala cu cea la care a fost
precomprimata incarcatura proaspata, psf, pistonul descopera
luminile de baleiaj (punctul d.l.b). La deschiderea luminilor de
baleiaj, presiunea din cilindru la inceput scade datorita maririi
volumului cilindrului, dar se observa si o tendinta contrara de
crestere a presiunii datorita introducerii incarcaturii proaspete
mai mare decat cea din cilindru, tendinta care devine predominanta,
facand predominanta, facand ca presiunea in cilindru sa creasca
pana la sfarsitul cursei (punctul a).Cand pistonul urca din nou,
presiunea creste in continuare in cilindru, dar apropiindu-se de
inchiderea luminilor de baleiaj (punctul i.l.b), incarcatura
proaspata la presiune ridicata intra foarte putina si in schimb
face ca presiunea sa scada pana in momentul inchiderii luminilor de
evacuare (punctul i.l.e).Din cursa s a pistonului, numai fractiunea
su , este efectiv folosita, pentru comprimare si destindere, restul
servind la admisie si evacuare. Corespunzator, raportul de
comprimare real (util) devine:
EMBED Equation.3 Diagramele p-V, trasate in figurile 1 b si 2 b
se numesc diagrame reale sau indicate.
3.Ciclurile teoretice ale motoarelor cu ardere interna cu
pistonFenomenele reale, care au loc in timpul functionarii
motoarelor cu ardere interna cu piston, sunt complexe daca se tine
seama de modificarea atat a starii, cat si a compozitiei chimice a
fluidului motor, de schimbul variabil de caldura intre fluidul din
cilindru si peretii acestuia, de existenta frecarilor, de
schimbarile de directie si de viteza ale fluidului, de fazele de
ardere etc.Cu scopul de studia influenta tuturor acestor factori
asupra economicitatii motorului s-au admis anumite ipoteze
simplificatoare privind functionarea motorului si comportarea
fluidului de lucru, adica s-au conceput anumite cicluri teoretice
de referinta, in asa fel incat parametrii acestora sa poata fi
determinati prin calcul. Dintre aceste ipoteze cele mai importante
ar fi:
Motorul functioneaza cu un gaz perfect, asemanator aerului;
Caldurile specifice cv si cp sunt constante;
Cilindrul contine in tot cursul ciclului o cantitate de fluid
constanta si cu aceeasi compozitie chimica;
Producerea de caldura prin ardere este considerata ca o
introducere de caldura din exterior, iar cedarea de caldura prin
evacuarea gazelor arse se considera ca o racire cu o sursa
rece;
Se presupune ca procesele de comprimare si de destindere sunt
adiabate.
Ciclul teoretic reprezinta deci, o schema termodinamica
simplificata a ciclului de functionare a motorului, servind drept
termen de comparatie pentru motoarele reale, in scopul aprecierii
gradului de perfectiune al proceselor reale de lucru si a
evidentierii mijloacelor necesare pentru imbunatatirea functionarii
motoarelor si a cresterii randamentelor proceselor ciclice.
Alegand drept criteriu natura transformarii prin care se poate
introduce caldura in ciclul motor, ciclurile teoretice se impart in
trei grupe:a). Ciclul cu ardere la volum constant (izocora),
caracteristic motoarelor cu aprindere prin scanteie MAS (fig.3
a);
b). Ciclul cu ardere la presiune constanta (izobara),
caracteristic motoarelor cu aprindere prin comprimare MAC lente
(fig. 3b);
c). Ciclul cu ardere mixta (izocora si izobara), caracteristic
motoarelor cu aprindere prin comprimare MAC rapide (fig. 3c).
Ciclurile figurate sunt corespunzatoare motoarelor in patru
timpi si sunt compuse din urmatoarele transformari:
Admisia izobara 0-1;
Comprimarea adiabata 1-2;
Arderea 2-3; izocora sau izobara la ciclurile din figurile a si
b si izocora si izobara 2-3, 3-4, la ciclul din figura c;
Destinderea adiabata 3-4 , la ciclurile din figurile a si b si
adiabata 4-5 la ciclul din figura c;
Evacuare libera izocora 4-1 la ciclurile din figurile a si b si
izocora 4-5 la ciclul din figura c;
Evacuarea izobara fortata 1-0.
3.1.Ciclul teoretic al motorului cu ardere la volum
constantParametrii caracteristici si acestui ciclu (fig. 3 a)
sunt:
Raportul de comprimare:
Raportul de crestere al presiunii in timpul arderii la volum
constant:
Randamentul termic al acestui ciclu se poate determina cu
formula generala:
in care Q este caldura primita de la sursa calda, iar cea cedata
sursei reci (luata in valoare absoluta, deorece conform conventiei
de semne este negativa).Pentru ciclul dat va fii:
Exprimand cantitatile de caldura ce apar in relatie, dupa
formule corespunzatoare unor schimburi de caldura ce apar in timpul
unor transformari izocore se obtine:
;
sau
Inlocuind aceste relatii in expresia randamentului termic
rezulta:
Temperaturile se pot determina din transformarile ce compun
ciclul, in functie de temperatura T1 astfel :
Din adiabata 1-2
sau ;
Din izocora 2-3
si
Din adiabata 3-4
sau
Prin inlocuirea temperaturilor, date de relatiile anteriore in
expresia randamentului se obtine:
Lucrul mecanic produs de motor L, este diferenta dintre
cantitatea de caldura introdusa in ciclu Q2-3 si cea evacuata Q4-1,
adica este echivalentul cantitatii de caldura care se
transforma:
sau tinand seama de expresiile caldurii rezulta:
Volumul V1 se poate exprima in functie de cilindree Vs si de
raportul de comprimare din sistemul de relatii:
obtinandu-se : si deci lucrul mecanic va fi :
3.2.Ciclul teoretic al motorului cu ardere la presiune
constantaMarimile caracteristice ale acestui ciclu (3 b ) sunt
:
Raportul de comprimare:
Raportul de injectie:
Randamentul termic al acestui ciclu se poate determina cu
formula generala:
in care Q este caldura primita de la sursa calda, iar cea cedata
sursei reci (luata in valoare absoluta, deorece conform conventiei
de semne este negativa).
Pentru ciclul dat va fii:
Exprimand cantitatile de caldura ce apar in relatie, dupa
formule corespunzatoare unor schimburi de caldura ce apar in timpul
unor transformari izocore se obtine:
;
sau
Deci randamentul termic va fi :
, k fiind exponentul adiabatic.
Exprimarea temperaturilor, ce apar in relatia randamentului se
face in mod analog cu ciclul motorului cu ardere la volum constant,
astfel:
Din adiabata 1-2
sau ;
Din izobara 2-3
si
Din adiabata 3-4
sau
Inlocuind valorile astfel gasite se obtine urmatoarea expresie
pentru randamentul termic:
Lucrul mecanic produs de un motor ce functioneaza dupa un astfel
de ciclu este:
3.3 Ciclul teoretic al motorului cu ardere mixta
Pentru acest ciclu teoretic (fig. 3 c) se pot defini urmatorii
parametrii caracteristici: Raportul de comprimare:
Raportul de crestere al presiunii in timpul arderii la volum
constant:
Raportul de injectie:
Randamentul termic al acestui ciclu se poate determina cu
formula generala:
Exprimand cantitatile de caldura, ce apar in relatia anterioara,
dupa relatiile corepsunzatoare unor schimburi de caldura ale unor
transformari izocore (Q2-3 si Q5-1) si respectiv izobare (Q3-4) se
obtine:
;
;
;
Inlocuind in relatiile de mai sus rezulta:
sau facand simplificarile si impartind cu cv:
Temperaturile, din punctele caracteristice ale ciclului,
determinate in functie de temperatura T1 sunt : Din adiabata
1-2
sau ;
Din izocora 2-3
si
Din izobara 3-4
si
Din adiabata 4-5:
sau
Prin inlocuirea temperaturilor date de relatiile anterioare in
relatia randamentului rezulta:
Facand simplificarile se obtine in final:
Particularizand aceasta expresie pentru (=1);(V4=V3), obtinem
randamentul termic al ciclului cu ardere la volum constant :
,
iar pentru =1 (p3=p2), randamentul termic al ciclului cu ardere
la presiune constanta:
Ultimele trei relatii indica cresterea randamentului termic
odata cu marimea raportului de comprimare .Comparand expresiile
randamentelor termice pentru ciclul cu ardere la volum constant si
la presiune constanta, rezulta ca ele difera numai prin factorul
supraunitar:
In consecinta, la acelasi raport de compresie , randamentul
ciclului cu ardere la volum constant este mai mare decat ak celui
cu ardere la presiune constanta.
In practica insa, randamentul ciclului motoarelor cu ardere la
presiune constanta este mai mare decat al celor la volum constant,
deoarece la motoarele cu aprindere prin comprimare MAC, se comprima
numai aer, putand fi adoptate rapoarte de compresie mai mari
(=14.....20), limitate numai de solicitarile mecanice ale
motoarelor si de cresterea frecarilor mecanice.
La motoarele cu aprindere prin scanteie MAS, cresterea
raportului de comprimare este limitata (=6...10) de aparitia
fenomenului de detonatie, care este o ardere anormala insotita de o
serie de fenomene ca: prezenta unor socuri (batai) in cilindru,
micsoararea randamentului si puterii mototrului, cresterea
cantitatii de caldura degajata prin peretii cilincrului (ceea ce
duce la o incalzire puternica a pistoanelor si a supapelor de
evacuare), cresterea presiunii gazelor din cilindru.Una din cauzele
aparitiei fenomenului de detonatie este natura combustibilului
utilizat si anume natura hidrocarburilor continute si structura
moleculara a componentilor combustibilului.
Metoda folosita pentru incercarea combustibilului la o detonatie
este adaptata pentru: Motoare cu turatie redusa cu cifra cetanica
intre 35 si 40;
Motoare cu turatie intre 1000 si 1500 rot/min intre 40 si
45;
Motoare cu turatie mai mare de 1500 rot/min, intre 45 si
60.Cetenul fiind scump si instabil, in locul lui s-a ales cetanul
C16H34 in amestec cu monocetilnaftalina C11H10. Indicele sau cifra
cetanica poate varia intre 0 si 100. Aproximativ:
cifra cetenica=cifra cetanica
Coborarea temperaturii de autoaprindere se poate face cu aditivi
de tipul cu compusilor cu azot (azotati, azotiti) precum si compusi
peroxidici.
3.5. Parametrii ciclului de functionareLucrul mecanic motor al
cilcului este reprezentat de bucla mare a ciclului din diagrama
indicata a motorului ( A-c-z-d-f-a in fig 1. si A-c-z-f-A in
fig.2). Raportand acest lucru mecanic la cilindreea Vs, se obtine
lucrul mecanic specific (produs pe unitatea de cilindree) sau
presiunea medie indicata, care este o marime caracteristica a
ciclului:
Cum pentru o turatie data n [rot/min] numarul de cicluri
efectuate intr-o secunda este :
[cicluri/s]
in care este numarul de timpi ai ciclului functional al
motorului (=4 pentru motorul in patru timpi si =2 pentru motorul in
doi timpi), se observa ca puterea indicata, reala a cilindrului
este:
[m]
in care t este timpul in care se efectueaza un ciclu egal cu
:
[s]Inlocuind in relatia puterii se obtine urmatoarea
relatie:
[W]
Pentru un motor cu i cilindrii identici:
[W]Functionarea motorului pretinde consumarea unei energii
necesare acoperirii diferitelor pierderi proprii motorului.
Toate aceste pierderi se apreciaza prin intermediul
randamentului mecanic :
,unde Po este puterea efectiva a motorului disponibila la
arborele sau cotit, iar Pe este presiunea medie efectiva, adica
lucrul mecanic motor specific disponibil la arborele cotit.
Rezulta ca puterea efectiva a motorului poate fi exprimata prin
relatia:
[W]
sau, tinand seama de relatia de mai sus:
[W]3.6.Caracteristicile motoarelor cu ardere interna
Prin caracteristici ale motoarelor cu ardere interna se inteleg
reprezentarile grafice ale variatiilor unor marimi si indicii
caracteristici ai motoarelor (ca de exemplu puterea, momentul
motor, randamentul termic, consumul specific, etc.), in functie de
un anumit factor principal (ca de exemplu sarcina, turatie etc.),
considerat ca variabila independenta. Caracteristicile se determina
experimental. La proiectare se pot calcula, cu aproximatia
corespunzatoare, unele din caracteristicile motorului.
Cele mai importante sunt caracteristicile de sarcina, in care
variabila independenta este turatia pastrandu-se constanta sarcina
sau incarcarea motorului, cu ajutorul unor frane, prezentate in
figura de mai jos.
Se obvserva ca la motoarele cu aprindere prin scanteie puterea
trece printr-un maxim , iar turatia corespunzatoare se numeste
turatia de putere maxima (np). Daca n creste in continuare
(n>np) pueterea efectiva incepe sa scada.
Turatia la care are loc valoarea maxima a momentului motor se
numeste turatie de moment maxim nM. Aceasta alura de variatie a
momentului motor este foarte putin convenabila pentru motorul de
tractiune, care cere o crstere raprida a momentului motor la
reducerea turatiei pentru ca functionarea motorului sa fie stabila.
Transmisiile speciale ce echipeaza automobilele si tractoarele
permit modificarea caracteristicii de moment in concordanta cu
cerintele tractiunii. De aceea cresterea momentului motor de la
turatia np () la turatia nM (Memax) constituie si un indice de
performanta al motorului, care se numeste coeficient de
adaptabilitate la tractiune:
,
deoarece exprima gradul de adaptabilitate al motorului la
cerintele inaintarii autovehiculului. Cu cat este mai mare
capacitatea motorului de a invinge rezistentele suplimentare este
mai mare. La MAS, =1.15......1.4.
Turatia nM limiteaza domeniul stabil de functionare a motorului
pe caracteristica de turatie, deoarece functionarea motorului pe
partea ascendenta a curbei Me este instabila (daca incarcarea
motorului creste, la turatia n