Aspecte de principiu privind metodele de reglarea sarcinii la motoarele cu aprindere prin scanteie

Autori: Ionut TAROIU, Ciprian TOMUS, Remus SMINCHISESCU, Marian NICULA, AR III

Indrumator: As. Ing. Adrian CLENCI

Conceptul de sarcina a motorului

Actiunea exterioara aplicata de consumator la nivelul cuplajului de legatura cu transmisia reprezinta sarcina sau incarcarea motorului. Tinand cont de miscarea de rotatie continua a arborelui cotit, se poate deduce ca sarcina motorului este, de fapt, un moment rezistent.

Dupa cum se stie, procesul de rulare al autovehiculului este afectat de rezistentele la inaintare:

rezistenta la rulare, R_r = G_a f cosa

rezistenta pantei R_p = G_a sina

rezistenta aerului: R_a = 0,5r c_x A v²;

rezistenta la demaraj: R_d = m_a a.

Aceste rezistente se transmit, in sens invers fluxului activ de putere, si sunt percepute la nivelul volantului ca un moment rezistent:

M_rez = ,    (1)

unde Rp si Rd apar numai in situatiile .

Situatia echilibrului dinamic, impune egalitatea M_mot = M_rez, ceea ce face posibila definirea sarcinii printr-o marime proprie motorului, si anume momentul motor.

Tinand cont de acestea, uneori este mai convenabila precizarea gradului de incarcare prin raportarea la o incarcare de referinta. Se defineste astfel coeficientul de sarcina sau sarcina relativa: raportul dintre momentul motor M_e, dezvoltat de motor si un moment de referinta, ambele marimi fiind precizate la aceeasi turatie. Acest raport se noteaza cu χ si se exprima in fractiuni sau procente din momentul motor de referinta. Drept moment motor de referinta se alege momentul motor efectiv continuu M_ec.

(2)

Coeficientul de sarcina ia valori distincte in limitele 01.2, dupa cum este prezentat in tabelul de mai jos:

*La motoarele de autovehicule χ_t=χ_p=1,0; la motoarele de tractoare χ_t χ_p.

Metode de reglare a sarcinii

Pentru un motor in patru timpi este valabila relatia:

(3)

unde k - constanta.

Rezulta ca sarcina unui motor se poate modifica prin trei actiuni:

Ø      Modificarea cilindreei unitare (V_s);

Ø      Modificarea numarului de cilindri ai motorului (i);

Ø      Modificarea presiunii medii efective (p_me).

Pentru un motor deja executat, adica cu cilindree invariabila () modificarea presiunii medii efective echivaleaza cu modificarea lucrului mecanic efectiv pe ciclu si cilindru, L_e. Presupunand pentru simplitate ca (in realitate variaza cu sarcina), se deduce ca reglarea sarcinii la o turatie constanta inseamna reglarea dozei de combustibil (), dupa cum indica relatia urmatoare:

(4)

unde Q_i[KJ/kg] reprezinta puterea calorifica inferioara.

Astfel, s-au dezvoltat doua metode de baza pentru reglarea dozei de combustibil (doua metode de baza de reglare a sarcinii ) si anume:

Ø      Metoda de reglare cantitativa;

Ø      Metoda de reglare calitativa.

Metoda de reglare cantitativa este specifica motoarelor cu aprindere prin scanteie, organul de reglare fiind o clapeta numita si obturator, ce se aseaza pe circuitul calea amestecului. Pentru a reduce doza de combustibil se obtureaza partial canalul, ceea ce reduce inevitabil si cantitatea de aer (figura 1).

Reglarea sarcinii prin variatia cantitatii de amestec aer-combustibil a generat denumirea de reglare cantitativa. In figura 1 se prezinta variatia simultana a consumului de aer si a consumului de combustibil functie de sarcina relativa χ. Impartind cele doua ordonate pentru fiecare valoare a lui χ se obtine coeficientul de dozaj λ care este constant. Teoretic variatia consumatorilor este liniara.

Metoda de reglare calitativa este specifica motoarelor cu aprindere prin comprimare. Teoretic cantitatea de aer ramane invariabila cu sarcina (neexistand clapeta obturator), iar cantitatea de combustibil variaza liniar. Ca urmare, se modifica proportia de combustibil in amestec, adica se variaza calitatea amestecului, de unde si denumirea de reglare calitativa (figura 2).

Varianta de reglare cantitativa se confrunta cu o serie de dezavantaje care reduc randamentul motorului mai ales la sarcini partiale. In privinta sarcinilor partiale, se mentioneaza ponderea covarsitoare a acestora in    functionarea motorului - (8090%).

Dezavantajul major il constituie insasi prezenta acestei clapete obturator care, fiind plasata pe traseul de admisie, introduce pierderi gazodinamice la curgerea amestecului spre cilindri (practic, ingreuneaza procesul de umplere al cilindrului) si mareste lucrul mecanic de pompaj (la motoarele aspirate acesta fiind un lucru mecanic negativ, reprezentand, deci, o pierdere de energie). Aceste pierderi sunt cu atat mai importante cu cat clapeta este mai putin deschisa (figura 3). Asadar, pierderile minime se inregistreaza la deschiderea maxima a clapetei obturator (figura 3).

Acest dezavantaj fundamental poate fi partial inlaturat prin trecerea la reglarea tot cantitativa, insa cu supapa de admisie, traseul de admisie fiind, astfel, eliberat de constrangerea determinata de clapeta obturator. Mai exact printr-o schema de distributie variabila se poate determina pastrarea in cilindrii motorului a unei cantitati de amestec in conformitate cu solicitarile caii de rulare (sarcina).

Desi lucrarea nu-si propune sa intre in detaliile constructive ale unor astfel de sisteme, pentru exemplificare se prezinta o solutie care, prin intermediul momentului inchiderii supapei de admisie, determina variatia cantitatii de amestec retinuta in cilindru (figura 4). Variatia momentului de inchidere a supapei de admisie de-a lungul cursei de comprimare determina o curgere inversa a gazelor din cilindru in exterior, astfel realizandu-se dezideratul reglajului cantitativ al sarcinii.

Trebuie mentionata aici si ultima realizare a firmei BMW - Valvetronic, prezenta deja in productia de serie. Printr-un sistem de distributie variabila (figura 5) se realizeaza reglajul cantitativ al sarcinii cu supapa de admisie, astfel pierderile prin pompaj reducandu-se considerabil.

Valvertonic este un sistem care modifica inaltimea de ridicare a supapei de admisie si deci durata acestui proces, intercaland intre cama si coada supapei un brat intermediar, a carui parte superioara isi poate modifica pozitia. Profilul camei se sprijina pe o rola a acestui brat. Partea inferioara a bratului actioneaza culbutorul, iar cea superioara, avand o forma curbata, poate fi deplasata de un arbor cu excentric. Aceasta din urma piesa sta in legatura cu un motoras electric prevazut cu u surub melcat. Cand motorasul este pus sub tensiune, surubul sau melcat roteste excentricul, iar acesta apropie sau departeaza bratul intermediar de cama arborelui de distributie. Cand distanta dintre aceste doua piese creste, durata aspiratiei se reduce si invers cand distanta se reduce scade si durata aspiratiei.   

Un alt dezavantaj important al reglajului cantitativ este gradul real de comprimare variabil.

Experienta a aratat ca MAS-ul lucreaza la sarcini partiale cu un randament cu mult scazut fata de cel inregistrat la sarcina plina, acest lucru datorandu-se, in principal, controlului cantitativ al sarcinii, ce determina o functionare cu un grad de comprimare continuu variabil.

Gradul real de comprimare, e_p, se defineste ca fiind raportul dintre presiunile masurate la sfarsitul, respectiv inceputul procesului de comprimare (p₂, p₁). Daca se doreste exprimarea in unitati de raport geometric de comprimare, atunci se poate folosi urmatoarea relatie:

(5)

Datorita valorii fixe (invariabile in timpul functionarii) a raportului geometric de comprimare, masa mai mica de incarcatura proaspata, ce rezulta in urma reducerii nivelului de sarcina, va ocupa acelasi volum la sfarsitul cursei de comprimare, astfel ca amestecul va fi mai putin comprimat fata de situatia inregistrata la sarcina plina. Acesta constituie principalul dezavantaj al motoarelor cu aprindere prin scanteie. Teoretic gradul de comprimare este caracterizat numai de o marime geometrica, invariabila in timpul functionarii - raportul geometric de comprimare, e_V. In realitate, insa, in cazul m.a.s-ului, gradul real de comprimare depinde de nivelul de sarcina, de turatie si de legea de distributie (figura 6 . 7). La mersul in gol si sarcini mici, in cazul unui motor clasic normal comprimat (e_v = 8,5), gradul real de comprimare, (e_p este situat intre 3,5 si 5 unitati - (figura 4) - aceasta constituind cauza eficientei scazute in intervalul de sarcini partiale.

Acest dezavantaj poate fi eliminat prin    variatia raportului geometric de comprimare odata cu modificarea nivelului de sarcina. Din aceasta perspectiva se aminteste aici solutia propusa de firma Saab - conceptul motorului articulat Saab Variable Compression - care realizeaza un raport geometric de comprimare superior la mers in gol (e_V 14), unde nu exista tendinta de detonatie, urmand ca acesta sa fie redus (e_V 8) odata cu cresterea nivelului de sarcina (figura 8).

Justificarea reglajului cantitativ la MAS consta in dificultatea aprinderii amestecurilor sarace ce ar rezulta daca reglajul sarcinii ar fi de ordin calitativ, ca si in cazul MAC-ului. Trecerea la reglarea calitativa a sarcinii la MAS ar rezolva problemele mentionate, ce se manifesta cu precadere la sarcini partiale dar ar introduce o alta problema, specifica MAC-ului: puterea litrica inferioara.

In raport cu cele amintite, firma Mitsubishi a realizat o combinatie a celor doua metode de reglare a sarcinii: reglare de ordin calitativ pe intervalul sarcinilor partiale si trecerea pe reglarea de ordin cantitativ la sarcina plina.

In anul 1996, firma Mitsubishi a lansat noul sau motor GDI (Gasoline Direct Injection), ce functioneaza cu un raport geometric de comprimare de 12,5 in conditiile in care calitatea amestecului in cazul sarcinilor partiale joase poate atinge valoarea incredibila de 50:1 (raport aer/combustibil). Toate acestea sunt combinate si cu o eficienta organizare a miscarii amestecului prin utilizarea miscarii de tumble care permite, de asemenea, o diferentiere calitativa a amestecului in camera de ardere unitara: foarte bogat in imediata vecinatate a bujiei si extrem de sarac in restul camerei de ardere - (figura 9).

Motorul GDI Mitsubishi are doua moduri distincte de operare: functionarea economica la sarcini partiale (trafic urban) si functionarea sportiva la sarcini mari, pentru obtinerea puterii maxime.

In cazul functionarii in modul economic, combustibilul este injectat sub presiune (50 MPa), sub forma unui jet compact (figura 11), in ultima parte a procesului de comprimare, inaintea scanteii electrice, ceea ce permite transportarea jetului de combustibil, fara dispersarea lui, spre zona electrozilor bujiei, de catre aerul aflat intr-o miscare de rotatie in planul vertical al cilindrului (tumble) - figura 10.

Se realizeaza, astfel, stratificarea amestecului in camera de ardere unitara a motorului GDI. Acest concept, in cazul motorului Mitsubishi GDI, a permis functionarea stabila a motorului cu un amestec de 50:1 la o turatie de ralanti de 600 rpm, ceea ce a determinat cresterea economicitatii in cazul acestui regim (mersul in gol) cu aproximativ 40% (figura 12). De altfel, in aceasta situatie de functionare, se poate spune ca reglarea sarcinii este de ordin calitativ (ca la motoarele Diesel), chiar daca motorul mai prezinta, inca, clapeta obturator. Aceasta este necesara deoarece in tranzitia spre sarcini mari, modul de functionare se schimba. Injectia are loc in timpul cursei de admisie, reglarea sarcinii se face de asta data cantitativ, prin intermediul clapetei, iar calitatea amestecului tinde catre situatia teoretica, stoechiometrica (l

Forma jetului injectat este conica (figura 11). Proiectia sa pe planul orizontal indica aproape o forma circulara, cu concentratii foarte mari la periferie. Prin amestecarea sa cu aerul admis are loc si racirea acestuia din urma, permitand functionarea cu un raport de comprimare marit (e_V = 12,5) dar si cu un randament volumetric al umplerii mult imbunatatit fata de situatia clasica - figura 13.

Comutarea intre cele doua moduri de operare este dependenta de regimul de functionare (figura 14).

Se poate spune ca prin folosirea acestei tehnologii, consumul de combustibil este comparabil cu cel caracteristic motoarelor Diesel (figura 14).

Concluzii

In concluzie, cunoasterea aspectelor fundamentale in ceea ce priveste conceptul de sarcina si metodele de reglare a permis analiza amanuntita a fenomenelor ce deriva de aici.

Astfel, se evidentiaza mai ales tehnologia GDI, ce constituie un pas important in evolutia motoarelor cu aprindere prin scanteie, avand la baza combinarea conceptelor esentiale caracteristice atat m.a.s.-ului cat si m.a.c-ului. Desi prezent, inca, obturatorul nu mai determina dezavantajul esential al reglajului cantitativ: gradul real de comprimare variabil. Explicatia consta in migrarea catre reglajul calitativ al sarcinii in zona partialelor joase, urmand ca in zona sarcinilor mari, calitatea amestecului sa tinda catre l = 1 din considerente de a evita dezavantajul fundamental al m.a.c.-ului: o putere litrica scazuta datorata amestecurilor sarace utilizate.

De asemenea, sunt evidentiate si realizarile firmelor BMW si Saab care nu au procedat insa la eliminarea dezavantajului fundamental, ci au preferat adoptarea unor solutii de compensare a acestuia. Cu alte cuvinte, acest dezavantaj este inca prezent, insa efectele sale sunt mult diminuate.

Bibliografie:

1. Clenci, A. - Stadiul cercetarilor in domeniul motoarelor cu raport de comprimare variabil

Referat 1, Universitatea Transilvania Brasov, 1999.

2. Dumitrescu, V., Racota, R., Anisoiu, C. - Caracteristicile M.A.I.,

Editura Universitatii din Pitesti, 1982.

3. Yamaguchi, J. - Mitsubishi DI gasoline engine prototype,

Automotive Engineering, September 1995.