Motoare cu ardere interna

Motorul cu ardere interna este o masina la care arderea combustibilului si transformarea caldurii in lucru mecanic are loc intr-un volum inchis, variabil, reprezentat de cilindrul masinii. In figura 1 este prezentata schema unui motor cu ardere interna:

Fig. 1

Cilindrul motorului este inchis la partea inferioara cu un perete mobil, numit piston. acesta permite variatia volumului gazului din cilindru dar, totodata, realizeaza si etansarea acestui spatiu. La partea superioara a cilindrului exista cel putin trei orificii, dintre care doua comandate de supape: supapa de admisie sa (fig. 1) si supapa de evacuare se, iar b reprezinta bujia la motoarele otto sau injectorul la motoarele diesel.

Miscarile pistonului sunt comandate de un mecanism biela-manivela, care realizeaza transformarea miscarii alternative de translatie a pistonului in miscare de rotatie. Puterea dezvoltata de motor la arbore rezulta sub forma de cuplu ori turatie.

In functie de cum se realizeaza aprinderea combustibilului, motoarele se clasifica in:

motoare cu aprindere prin scanteie sau motoare otto - la aceste tipuri de motoare aprinderea este comandata cu ajutorul unei scantei electrice;

motoare diesel - la aceste tipuri de motoare combustibilul se autoaprinde datorita faptului ca este injectat in aerul comprimat, care are temperatura ridicata.

Procesele termodinamice care au loc in motor se repeta periodic. Totalitatea proceselor termodinamice ce se produc periodic in motor formeaza ciclul termodinamic. Acesta poate fi schematizat prin urmatoarele transformari de stare: admisia izobara, comprimarea adiabata sau politropa, arderea izocora si izobara, destinderea adiabata sau politropa si evacuarea izobara.

Functie de durata ciclului termodinamic, motoarele se clasifica astfel:

motoare in doi timpi - acestea sunt motoarele la care ciclul termodinamic se efectueaza la o rotatie a motorului sau la doua curse ale pistonului;

motoare in patru timpi - sunt motoarele la care ciclul termodinamic se efectueaza la doua rotatii ale motorului sau la patru curse ale pistonului.

1 Ciclul termodinamic al motorului cu ardere interna

Ciclul termodinamic al motorului cu ardere interna este prezentat in diagrama PV (fig. 2) si in diagrama Ts (fig. 3).

Din analiza masuratorilor efectuate in timpul testarii motoarelor s-a concluzionat ca o buna aproximare a ciclului termodinamic pentru motoarelor cu ardere interna se poate obtine considerand urmatoarele ipoteze:

in cilindrul motorului evolueaza un gaz perfect ce nu isi modifica compozitia in timpul ciclului;

procesul de ardere este schematizat prin incalzirea izocora si izobara a gazului

procesele de schimbare a gazelor sunt inlocuite de o racire izocora

Pe baza acestor ipoteze, configuratia ciclului este urmatoarea:

1-2 comprimarea adiabata;

2-3 arderea izocora, in care gazul primeste caldura Q₂₃;

3-4 arderea izobara, in care gazul primeste caldura Q₃₄;

4-5 destinderea adiabata;

5-1 racirea izocora, fictiva, in care gazul cedeaza caldura Q₅₁;

se neglijeaza lucrul mecanic consumat pentru schimbarea gazelor.

Prin schimbarea gazelor se intelege evacuarea gazelor arse si admisia aerului sau a amestecului de aer si benzina. Cele doua procese sunt reprezentate de doua izobare, cu valori pentru evacuare ~1,2 bar, iar pentru admisie ~0,8 bar. Aria cuprinsa intre aceste izobare reprezinta lucrul mecanic necesar schimbarii gazelor. Valoarea acestuia este mica in comparatie cu aria ciclului, a carui presiune maxima depaseste valoarea de 70 bar la motoarele otto si valoarea de 100 bar la motoarele diesel supraalimentate.

Pentru a face analiza termodinamica a ciclului, cu notatiile din figura 2, se definesc urmatorii parametrii:

• raportul de compresie;
• raportul de crestere a presiunii in arderea izocora;
• raportul de destindere prealabila;
• cilindreea unitara, care reprezinta volumul unui cilindru, exprimat in cm³.

Fig. 2

Ca date cunoscute se aleg parametrii de stare ai punctului 1, p₁ si T₁, reprezentand presiunea si temperatura aerului la intrarea in motor.

Urmatorul pas il reprezinta determinarea parametrilor de stare in punctele caracteristice ale ciclului. Pentru aceasta, se determina la inceput volumele in punctele 1 si 2 folosind relatiile de definitie a raportului de compresie si a cilindreei.   

Pentru a determina restul parametrilor, se procedeaza astfel: se porneste din punctul 1 spre punctul 5; utilizandu-se ecuatiile transformarilor ce compun ciclul, se determina parametrii de stare.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate sintetizat in tabelul T 1. Pe baza acestor rezultate se pot determina caldurile intrata si iesita din ciclu. Se noteaza cu m masa de aer care evolueaza intr-un ciclu:

(1)

Fig. 3

Tabelul T 1

(3)

Randamentul termodinamic al ciclului este:

(4)

Ciclul in care arderea este schematizata prin doua transformari - una izocora si cealalta izobara - este caracteristic motoarelor diesel rapide. Prin particularizarea relatiei (4) obtinem cateva relatii importante, specifice anumitor categorii de motoare.

Motoarele cu aprindere prin scanteie utilizeaza un combustibil volatil, cu viteza mare de ardere, astfel incat pentru aceste motoare arderea este schematizata numai printr-o transformare izocora, in acest caz r = 1. Inlocuind aceasta valoare in relatia (4), obtinem expresia randamentului pentru motoarele otto:

(5)

In figura 4 este prezentat ciclul termodinamic cu ardere la volum constant, specific motoarelor cu aprindere prin scanteie.

Fig. 4

Aceasta relatie simpla (5) este importanta, deoarece ne permite sa analizam dependenta dintre randamentul termodinamic si raportul de compresie, un parametru constructiv al motorului.

Fig. 5

In figura 5 este prezentata grafic variatia randamentului termodinamic functie de raportul de compresie calculat cu formula (5).

Se observa o crestere a randamentului odata cu raportul de compresie, dar la motoarele cu aprindere prin scanteie raportul de compresie este limitat tehnologic la valori mai mici sau cel multe egale cu 9..9,5 (maxim 10), pentru a impiedica autoaprinderea benzinei in timpul compresiei. Toate modelele cu injectie de benzina in poarta supapei de admisie (sistemul de injectie multipunct) trebuie sa se supuna acestei restrictii. Cercetari experimentale cu privire la posibilitatea cresterii raportului de compresie la motoarele otto, in vederea maririi randamentului si a scaderii consumului, au condus la aparitia unui nou procedeu de formare a amestecului, injectia directa de benzina in cilindru (GDI - Gasoline Direct Injection). S-a reusit, astfel, marirea raportului de compresie la motoarele otto, pana la valoarea de 12, cu cresterea corespunzatoare a randamentului si scaderea consumului.

Motoarele diesel au rapoarte de compresie cuprinse intre 18.24, ceea ce face ca randamentul acestora sa fie mai mare decat randamentul motoarelor otto. Pentru utilizatori, un randament mai mare inseamna un consum mai mic de combustibil.

O alta particularizare utila se obtine daca in formula (4) particularizam valoarea raportului de crestere a presiunii in timpul arderii, astfel l = 1, rezulta:

(6)

Aceasta expresie este valabila in cazul motoarelor diesel lente, de puteri mari si foarte mari (pana la 48 MW), folosite in special la tractiunea navala. Ciclul termodinamic al unui astfel de motor are particularitatea ca arderea este schematizata printr-o transformare izobara si se numeste ardere la presiune constanta (fig. 6).

Fig. 6

Deoarece raportul de compresie al motoarelor diesel este mai mare decat al motoarelor otto si datorita faptului ca, la sarcini partiale, pentru realizarea dozajului optim la motoarele otto se modifica cantitatea de aer ce intra in motor printr-o clapeta de laminare, pentru capacitati cilindrice egale, motoarele diesel au consumuri cu ~30% mai mici decat motoarele otto, inclusiv la sarcini patiale. Acest lucru face ca, pentru puteri echivalente, motoarele diesel sa emita cantitati mai mici de bioxid de carbon decat cele otto. prevederile tratatului de la Kyoto, privind reducerea gazelor care provoca efectul de sera, determina statele sa adopte politici de promovare a motoarelor diesel.

Randamentul termodinamic este o componenta importanta a randamentului efectiv; valoric, ea are ponderea cea mai mare. Randamentul efectiv al motorului cu ardere interna se compune din urmatorii factori:

• - randamentul termodinamic;
• - randamentul indicat - evalueaza ce fractie reprezinta aria ciclului real fata de aria ciclului teoretic (fig. 2); are valori: 0,78.0,88 ;
• - randamentul mecanic - apreciaza pierderile mecanice din motor; valori posibile: 0,75.0,85.

Randamentul efectiv al motorului se defineste astfel:

(7)

Pe baza relatiilor (1), (2) si (3), se determina lucrul mecanic pe ciclu:

(8)

[J/ciclu] (9)

Relatia (9) permite determinarea puterii motorului, cu formula:

[kW] (10)

in care s-a notat cu n turatia motorului in rotatii/minut, i numarul de cilindrii, iar t reprezinta numarul de timpi.

2 Supraalimentarea motoarelor

Din formula (9) observam ca lucrul mecanic pe ciclu este direct proportional cu presiunea aerului la intrarea in cilindru p₁ si cu cilindreea V_s, deci puterea motorului depinde direct de acesti doi parametri. Cresterea puterii motoarelor se poate realiza pe doua cai:

marirea cilindreei, care de regula se materializeaza prin cresterea volumului cilindrilor sau prin cresterea numarului de cilindri (motoare policilindrice);

marirea presiunii aerului la intrarea in cilindru, cresterea valorii parametrului p₁ din formula (9). Daca presiunea aerului admis in cilindri este mai mare decat presiunea atmosferica, motorul se numeste supraalimentat, iar procedeul poarta numele de supraalimentare;

Pentru a se putea realiza supraalimentarea motoarelor este necesar ca aerul ce intra in motor sa fie comprimat in prealabil lucru ce impune existenta unui compresor.

In figura 7 este prezentata cea mai utilizata schema de supraalimentare a motoarelor. Conform acesteia, energia gazelor arse care parasesc motorul este valorificata prin destinderea intr-o turbina cu gaze, notata cu T. Puterea furnizata de aceasta este folosita pentru antrenarea unui compresor centrifugal, notat cu C. Cuplarea celor doua masini este posibila deoarece ambele functioneaza la turatii mari (80.000 . 100.000 rot/min) si se realizeaza printr-un ax comun. Acest ansamblu turbina-compresor poarta denumirea de grup turbocompresor, iar motoarele se numesc turbosupraalimentate sau - mai simplu - turbo.

Deoarece supraalimentarea mareste puterea motorului fara a mari numarul de cilindri, randamentul mecanic ramanand constant, aceste tipuri de motoare au o economicitate mai mare, consumul specific de combustibil pe unitatea de putere fiind mai redus decat in cazul motoarelor cu aspiratie naturala.

Fig. 7

In figura 8 este prezentat comparativ ciclul motorului supraalimentat cu ciclul motorului cu aspiratie naturala.

Fig. 8

Valorile parametrilor T₁, e l si r pentru cele doua cicluri sunt egale, singura diferenta fiind valoarea presiunii p₁, care pentru ciclul cu aspiratie naturala este 0,8 bar, iar pentru ciclul supraalimentat este 1,45 bar. Se remarca diferenta ariilor celor doua cicluri, care de fapt reprezinta lucrurile mecanice pe ciclu.

In compresor procesul de comprimare este adiabatic, astfel ca pe langa cresterea presiunii se realizeaza si cresterea temperaturii, lucru nedorit deoarece produce cresterea volumului specific al aerului, diminuand masa de aer ce poate intra in cilindru, lucru ce se traduce prin reducerea puterii. Pentru a combate acest fenomen se utilizeaza un racitor intermediar notat cu R, care de regula este un schimbator de caldura aer-aer plasat in fata radiatorului pentru lichidul de racire sau lateral fata de acesta.

Supraalimentarea motoarelor este un procedeu complex ce mareste puterea motorului, dar care in anumite conditii poate determina o crestere a parametrilor gazelor de ardere (presiune, temperatura) ce pot distruge motorul. din aceasta cauza, acest proces este strict controlat electronic de catre unitatea de comanda a motorului.

Fig. 9

In figura 9 este prezentat modul de control al procesului de supraalimentare. Aerul care intra in motor trece prin debitmetrul cu fir cald 1, apoi intra in compresorul centrifugal 2 unde este comprimat, apoi introdus in motor. Pe galeria de admisie, pentru determinarea debitului masic se mai masoara presiunea absoluta - cu senzorul 8 - si temperatura aerului admis - cu senzorul 9. Debitul maxim de gaze arse ce intra in turbina 3 este controlat de supapa 4. Aceasta limiteaza presiunea maxima de supraalimentare, prin scaderea debitului de gaze ce trece prin turbina. Cand este deschisa, o parte dintre gazele arse trec direct in galeria de evacuare. Actionarea supapei de scurcircuitare se face de catre electrovalva 6, care este comandata de unitatea centrala de gestiune electronica a motorului.

Pentru reducerea oxizilor de azot, la sarcini partiale o parte din gazele arse sunt reintroduse in aspiratia motorului. Recircularea gazelor arse este controlata de supapa 5, actionata de electrovalva 7.

Grupul turbocompresor functioneaza corespunzator incepand de la un anumit debit de gaze de ardere. acest lucru face ca, la sarcini partiale mici, turbocompresorul sa se comporte ca o rezistenta suplimentara. Pentru a imbunatati comportarea turbocompresorului, la toate regimurile s-au realizat turbocompresoare cu geometrie variabila. Particularitatea constructiva a acestora consta in faptul ca aparatul director ce dirijeaza gazele de ardere la intrarea in turbina este format dintr-un rand de palete mobile plasate pe stator, ale caror pozitii sunt comandate electronic functie de regimul motorului. Practic, la debite reduse de gaz se modifica directia vectorului viteza astfel ca puterea turbinei sa fie suficienta pentru actionarea eficienta a compresorului. Tot prin modificarea pozitiei paletelor aparatului director se obtine reducerea puterii turbinei in cazul sarcinilor mari.

3 Notiuni despre comanda electronica a motoarelor

Normele restrictive in privinta poluarii, pe care trebuie sa le indeplineasca motoarele livrate pe piata, reducerea consumului de combustibil, marirea performantelor dinamice si - nu in ultimul rand - asistarea comenzilor si confortul conducatorului auto, au impus de mai bine de doua decenii aparitia motoarelor cu comanda electronica.

Aparitia acestui lucru a fost precedat de adoptarea unor legi specifice, la inceput in SUA, apoi si in Europa. California este cunoscuta in intreaga lume ca un stat deschizator de drumuri in ceea ce priveste obiectivele mentinerii puritatii aerului. Pentru punerea in aplicare a acestor obiective a fost insarcinata "Autoritatea Californiana pentru Mentinerea Puritatii Aerului (California Air Resources Board = CARB). Aceasta autoritate a decis punerea in aplicare, pe autovehicul, a procedeului de autodiagnosticare (On Board Diagnosis = OBD), astfel ca problema sa fie atacata direct la sursa, adica direct pe motor.

Regulamentele pentru acest lucru au fost stabilite prin intermediul primei definitii, OBD I, si a fost introdus in fabricatie in anul 1988. Incepand cu anul de fabricatie 1994, pentru autovehiculele vandute in SUA este valabila definitia a doua, OBD II.

Aplicarea pentru Europa se face de catre organizatia internationala pentru norme ISO (International Organization for Standardization = ISO). Constructorii europeni de autovehicule au impus ca reglementare legislativa norma ISO 9141-CARB (redactata in 1991 sub forma DIN ISO 9141-2, reprezentand adaptarea normei americane OBD II).

Aceasta norma europeana este inclusa in definitia OBD, astfel s-a reusit unificarea comunicarii cu aparatele de comanda ale motoarelor. acestea trebuie sa comunice - conform OBD II - atat in SAE, cat si in ISO.

Exista, sub forma de proiect, norma europeana EOBD (On Board Diagnosis Europa), care va fi aplicata pe intreg teritoriul Europei (probabil din 2004).

In norma OBD I s-a stabilit controlul si supravegherea tuturor sistemelor din autovehicul legate in mod relevant de gazele arse, prin partea electrica si electronica. Controlul era limitat la recunoasterea functiilor defecte. Un defect trebuie memorat in memoria pentru erori a aparatului de comanda. Functia defecta este semnalizata prin intermediul unei lampi de control incorporata in tabloul de bord.

In acest fel, se garanteaza o posibilitate simpla de control a respectarii nomelor de poluare, prin politia rutiera. Orice defect ce afecteaza calitatea gazelor arse este semnalat la bord prin aprinderea lampii de control, lucru ce este inspectat si sanctionat de politia rutiera.

OBD I a fost inlocuit de catre OBD II incepand cu anul de fabricatie 1994. Termenul pentru aprobari de exceptie a expirat din data de 01.01.1996. OBD II este valabila pentru autoturisme si autoutilitare cu motoare pe benzina, iar incepand cu anul de fabricatie 1996 si pentru autovehiculele pe motorina cu motoare diesel. Aceasta norma reprezinta continuarea OBD I, dar inaspreste exigentele catre "On Board Diagnosis" si mareste volumul marimilor ce trebuiesc controlate. Completarile cele mai importante ale OBD II sunt reprezentate de faptul ca aceasta prevede controlul permanent pentru urmatoarele componente si procese

q       ardere

q       catalizator

q       sonde lambda

q       sistem de aer secundar

q       sistemul de evaporare combustibil

q       sistemul de recirculare gaze arse

La ora actuala, motoarele cu ardere interna sunt cele mai utilizate sisteme pentru propulsia autovehiculelor rutiere. Numarul unitatilor produse este in continua crestere. Constrangerile impuse constructorilor, referitoare la scaderea consumului de combustibil, cresterea puterii pe unitate de volum, fiabilitate si - nu in ultimul rand - respectarea unor legi tot mai restrictive privind poluarea, au impus o evolutie spectaculoasa a acestora.

Un salt important in evolutia motoarelor s-a produs odata cu introducerea controlului si conducerii electronice a acestora. Tendinta actuala este de extindere a gestiunii electronice, pentru un control total asupra functionarii motorului, precum si extinderea acestuia asupra sistemelor de fanare, suspensie, directie, cutiei de viteze, sistemelor de siguranta la impact, etc.

Controlul electronic al motorului se realizeaza printr-un calculator de bord ce primeste semnale de la senzorii montati pe motor sau actionati de conducatorul auto (pedala de acceleratie, frana, schimbator de viteza, etc.) si care - functie de valorile primite - emite comenzi catre anumite elemente de executie ce controleaza functionarea motorului.

Principalele elemente ce sunt comandate de catre calculator sunt formarea unghiul de avans la producerea scanteii electrice sau la injectia motorinei si raportul aer- combustibil.

Modul specific de lucru al calculatorului este prezentat in schema din figura 10. Astfel, pentru avans, in memoria calculatorului sunt pastrate intr-o matrice tridimensionala valorile pentru unghiul de avans functie de sarcina si turatie. In timpul functionarii motorului, pe baza valorilor venite de la senzori se determina din matrice valoarea unghiului de avans. Aceasta marime sufera doua corectii, o corectie principala functie de temperatura lichidului de racire si corectii secundare functie de acceleratie, intensitatea detonatiei, etc.

Fig. 10

In mod similar se procedeaza in cazul determinarii debitului de combustibil. In memoria calculatorului sunt stocate valorile timpului de deschidere al injectoarelor functie de sarcina si turatie. Valorile citite sunt corectate in mai multe etape, principala corectie se face functie de temperatura lichidului de racire, apoi urmeaza corectiile minore conform schemei din figura 10.

Fig. 11

O situatie speciala, in cazul motoarelor otto, o reprezinta reglarea raportului aer-combustibil functie de sonda lambda. Asa cum s-a prezentat in capitolul 5, sonda lambda permite determinarea prezentei oxigenului in gazele de ardere. Pentru a reduce cantitatea de monoxid de carbon si pentru a mari economicitatea motorului, sistemele electronice de comanda fac posibila arderea in motoarele otto a amestecurilor sarace care au excesul de aer ~1, deci amestecuri stoichiometrice.

Pentru a aprinde astfel de amestecuri s-a marit durata scanteii electrice. O problema deosebita o constituie mentinerea dozajului in vecinatatea zonei stoichiometrice. Sonda lambda are un raspuns in tensiune (fig. 11) foarte prompt in zona dozajului stoichiometric, din aceasta cauza semnalul de la sonda lambda este folosit pentru corectarea debitului de benzina injectat. Astfel, la mersul stabilizat al motorului unitatea centrala de comanda trece la un reglaj al debitului de combustibil, in bucla inchisa, functie de semnalul provenit de la sonda lambda. In regimurile de repriza se renunta la economicitate in favoarea performantelor, reglajul functie de sonda lambda se face in bucla deschisa.

3.1 Sistemul de injectie electronica monopunct

Un sistem simplu de injectie electronica de benzina il reprezinta sistemul de injectie monopunct, exemplificat in figura 12 prin sistemul Mono-Jetronic produs de firma Bosch.

Combustibilul este introdus in sistem de catre pompa de benzina 1 plasata in rezervor. Aceasta asigura o presiune, dupa filtru de benzina 2, de circa 2 bar. Presiunea benzinei este riguros controlata si mentinuta constanta de catre regulatorul de presiune 3b. Benzina este introdusa in galeria de admisie o data la fiecare rotatie a motorului, prin injectorul 3c.

Sarcina se determina prin citirea pozitiei clapei de acceleratie, cu ajutorul traductorului potentiometric 3a.

Fig. 12

Clapeta de acceleratie este comandata de utilizator, dar la anumite regimuri, in special la ralanti sau sarcini partiale, pozitia clapetei de acceleratie este corectata de unitatea centrala de comanda, prin actionarea servomotorului 3e.

Unitatea centrala de comanda 6 culege semnale pentru corectia debitului de la senzorul de temperatura pentru aer 3d, senzorul de temperatura pentru lichidul de racire 4 si sonda lambda 5.

3.2 Sistemul de injectie electronica multipunct

Sistemul de injectie multipunct este exemplificat in figura 13 prin sistemul Motronic M5, produs de firma Bosch. Acest sistem este un sistem de ultima generatie, performant, ce echipeaza numeroase vehicule, reprezentativ pentru sistemele multipunct de injectie.

Acest tip de sistem asigura o distributie uniforma a combustibilului, deoarece in galeria de admisie a fiecarui cilindru este plasat un injector de benzina (termenul consacrat injectorul este plasat in poarta supapei).

Particularitatea functionala a acestui sistem este ca injectoarele sunt actionate de catre unitatea electronica de comanda in paralel, deci ele injecteaza toate odata la fiecare rotatie a motorului. Acest lucru face ca, pe durata unui ciclu termodinamic, la fiecare cilindru sa se produca doua injectii: o injectie are loc cand supapa de admisie este inchisa (corespunde perioadei de destindere a ciclului), iar a doua se produce cand supapa de admisie este deschisa. Conform acestui procedeu, doza de benzina necesara fiecarui cilindru se injecteaza in doua cantitati egale, jumatate cand supapa este inchisa - considerandu-se ca benzina ramane in zona supapei de admisie pana la deschiderea acesteia - si jumatate in perioada admisiei.

Fig. 13

Semnificatia pozitiilor din figura 13

Filtru carbune activ(FCA)

Dispozitiv masurare masa de aer

Aparat de comanda

Port diagnosticare

Lampa diagnosticare (MIL, Malfunction Indicator Light )

Ventil de inchidere FCA

Potentiometru clapeta de acceleratie

Regulator ralanti

Ventil de regenerare FCA

10 Senzor temperatura aer

11 Senzor presiune galerie aspiratie

12 Ventil recirculare gaze de esapament

13 Senzor presiune

14 Rezervor combustibil

15 Injector

16 Regulator presiune

17 Senzor detonatie

18 Indicator de turatie

19 Senzor temperatura motor

20 Senzor faze

21 Catalizator cu doua sonde lambda

22 Senzor de acceleratie caroserie

23 Pompa aer secundar si ventil aer secundar

Principiile de reglare a cantitatii de benzina functie de parametrii masurati, corectiile, reglajul lambda se fac asa cum s-a aratat anterior

Sistemul Motronic M5 (fig. 13) este un sistem complex care, pe langa reglarea debitului de carburant si a avansului, are dispozitive suplimentare ce-i permit realizarea unor limite scazute pentru noxe. Astfel, prin ventilul 12 sunt recirculate cantitati limitate de gaze arse la regimuri partiale pentru eliminarea oxizilor de azot. Prin pompa de aer secundar 23 este introdusa in galeria de evacuare, in fata catalizatorului, o cantitate mica de aer, ce permite oxidarea monoxidului de carbon si a hidrocarburilor nearse in zona catalizatorului.

Vaporizarea combustibilului este controlata prin supapele 6, 9 si filtrul de carbune activ 1 .

Unitatea centrala de comanda semnalizeaza la bordul vehiculului orice defectiune aparuta in sistem, prin lampa de semnalizare 5, iar prin portul de diagnoza 4 permite cuplarea unui calculator specializat pentru citirea memoriei cu erori si / sau modificarea unor setari.

O parte importanta a functiilor unitatii centrale de comanda o constituie autodiagnoza. Astfel, procesorul monitorizeaza in permanenta semnalele venite de la senzori. In cazul defectarii unui senzor, daca valorile acestuia nu sunt esentiale pentru siguranta functionarii motorului (ca spre exemplu senzorul de turatie), se trece pe un regim de avarie, semnalul acestuia este inlocuit cu valori predefinite in memorie si se semnalizeaza la bord prin lampa 5. Daca defectul dispare, se revine la situatia initiala; daca nu, se memoreaza acest defect in memoria cu erori, ce poate fi accesata prin portul 4. Daca defectele afecteaza siguranta functionarii motorului, procesorul opreste motorul si nu permite pornirea acestuia decat dupa inlaturarea defectelor.

3.3 Sistemul electronic de injectie directa de benzina GDI

(Gasoline Direct Injection)

In figura 14 este prezentat sistemul electronic de injectie a benzinei direct in cilindrii motorului, fabricat si comercializat de firma Bosch.

Fig. 14

Semnificatia pozitiilor este urmatoarea

debitmetru masic de aer cu fir cald

filtru de carbune activ

supapa fitru de carbon activ

pompa de inalta presiune

supapa control presiune

rampa de benzina

bobina de aprindere

traductor pedala

traductor clapeta

supapa recirculare gaze

senzor presiune absoluta

senzor inalta presiune

injector benzina

senzor detonatie

senzor temperatura motor

senzor lambda

senzor lambda

catalizator NO_x

procesor

priza diagnoza

lampa diagnoza

imobilizator vehicul

senzor acceleratie

pompa benzina

senzor turatie

Particularitatea acestui sistem consta in faptul ca benzina este injectata la sfarsitul compresiei direct in cilindru motorului, apoi se produce scanteia electrica ce aprinde amestecul de aer si benzina. Deoarece in timpul compresiei in cilindrul motorului este numai aer, s-a reusit marirea raportului de compresie pana la valoarea 12, rezultand o crestere a randamentului termodinamic si o scadere a consumului de combustibil.

La acest tip de sistem injectia se produce pentru fiecare cilindru, in ordinea de aprindere la sfarsitul compresiei; ea poarta numele de injectie segventiala.

Pentru a functiona, sistemul are nevoie de o pompa de benzina de inalta presiune 4, ce asigura in rampa comuna de alimentare a injectoarelor o presiune de ~150 bar, care este controlata de supapa pentru inalta presiune 5.

Din punct de vedere a conducerii sistemului de catre unitatea centrala de comanda, lucrurile sunt similare sistemelor prezentate anterior, monopunct si mutipunct.

Sistemul de injectie directa a benzinei (GDI) a aparut la vehiculele comercializate pe piata din anul 1998. datorita consumului redus de benzina realizat de motoarele dotate cu acest sistem, el este in continua dezvoltare, tendinta fiind de a inlocui sistemul de injectie multipunct care, in prezent, s-a generalizat la motoarele otto.

3.4 Comanda electronica a motoarelor diesel

Controlul electronic s-a dezvoltat si pentru motoarele diesel. Aici se remarca doua tendinte, controlul electronic al pompei de injectie sau inlocuirea acesteia cu un sistem "common rail" (cu rampa comuna de alimentare a injectoarelor, care sunt actionate electromagnetic), asemanator celui folosit in cazul injectiei directe de benzina.

In figura 15 este prezentat un sistem prin care principalele functii ale pompei de injectie de tip VP produsa de firma Bosch sunt controlate electronic de catre unitatea centrala de comanda EDC 12.

Astfel, dispozitivul electromagnetic 8 permite reglarea debitului de motorina prin comanda venita de la unitatea centrala de comanda, iar supapa electromagnetica 10 permite modificarea avansului functie de comanda primita.

Valorile sarcinii sunt masurate de traductorul pedalei 11, turatia de traductorul 6, iar pe baza acestor valori se citeste valoarea debitului de motorina din matricea corespunzatoare aflata in memoria procesorului.

Fig. 15

1 Dispozitiv masurare masa de aer

2 Senzor presiune de supraalimentare

3 Reglare presiune pentru recirculare gaze de esapament

4 Injectoare cu senzor de miscare a acului

5 Senzor temperatura motor

6 Senzor turatie/punct mort superior

7 Pompa injectie de distributie

8 Mecanism magnetic de reglare

Ventil / supapa de oprire

Supapa electromagnetica pentru reglare pulverizare

11 Traductor pedala

12 Aparat de comanda

Aceasta valoare este corectata functie de debitul de aer (masurat de debitmetrul 1) si de temperatura motorului (masurata de senzorul 5), iar in final este transmisa elementului de executie 8 ce controleaza debitul.

Deoarece la aceste tipuri de motoare arderea se desfasoara cu exces de aer, cantitatile de monoxid de carbon din gazele de ardere sunt nesemnificative. principalul component al noxelor pentru motoarele diesel este oxidul de azot. Acesta se combate la sarcini partiale prin recircularea gazelor arse, controlata de procesor prin electrovalva 3.

Cel mai modern si performant sistem de alimentare comandat electronic, pentru motoare diesel, este sistemul de tip common rail prezentat schematic in figura 16.

Fig. 16

1 Electrovalva blocare motor

Senzor pedala acceleratie

3 Baterie

Senzor turatie si pozitie arbore cotit

5 Modulul electronic de control

6 Senzor lichid de racire

7 Electrovalva recirculare gaze

8 Racitor de combustibil

9 Filtru de conbustibil

10 Incalzitor de combustibil

11 Injector

12 Pompa de circulatie electrica

13 Pompa de circulatie mecanica

14 Releu pompa de alimentare

15 Supapa control presiune in rampa

16 Senzor presiune

17 Rampa combustibil

18 Rezervor

19 Senzor temperatura combustibil

20 Releu bujie incandescenta

21 Bujie incandescenta

22 Indicator bujie incandescenta

23 Pompa de inalta presiune

24 Comutator pornire

25 Senzor temperatura

26 Lampa avarie

27 Senzor presiune absoluta

28 Debitmetru

29 Supapa limitare presiune turbo

30 Senzor de viteza vehicul

Acest sistem permite un control riguros al momentului inceputului injectiei in fiecare cilindru, precum si al cantitatii de motorina injectate. Debitul de combustibil este controlat prin timpul de deschidere al injectorului si prin valoarea presiunii din rampa. Conditia necesara de functionare a sistemului este ca in rampa sa existe motorina la o presiune ridicata (la sistemele actuale aceasta variaza intre 800 bar la ralanti, pana la 1350 bar in sarcina). Unele sisteme au presiunea de sarcina pana la 2000 bar.

Presiunea combustibilului in rampa este asigurata de pompa de inalta presiune 23, iar valoarea acesteia este controlata de supapa 15. Datorita presiunii ridicate realizate de pompa, necesara functionarii sistemului, combustibilul se incalzeste destul de mult, astfel incat motorina intoarsa in rezervor pe retur trebuie racita prin radiatorul 8. Pentru a asigura o pornire usoara la temperaturi scazute si a evita pericolul condensarii parafinelor, in situatii deosebite combustibilul este incalzit inainte de a se introduce in pompa de inalta presiune.

Unitatea centrala de comanda electronica 5 functioneaza in mod similar celor prezentate anterior, pentru celelalte tipuri de sisteme de injectie, adica are memorate valorile de avans si de debit functie de sarcina si turatie. valorile citite sunt corectate inainte de a se trimite spre elementele de executie.

In figura 17 este prezentat schematic un injector cu comanda electronica folosit in sistemele de injectie de tip common raill.

Elementul de actionare il constituie electromagnetul 1, ce controleaza supapa bila 10. Motorina patrunde in corpul injectorului prin racordul 2, pana in camera 5. Acul injectorului 7 este tinut pe sediu datorita fortei de apasare exercitata de resortul 8 si prin forta de apasare exercitata de tija 9, sub presiunea din camera 5.

Electromagnetul este actionat de unitatea electronica de comanda prin conectorul 4, supapa bila 10 se ridica de pe sediu, presiunea in camera 5 scade, iar presiunea ridicata din rampa ajunge in camera de acumulare 6 si ridica acul 7 de pe sediu; astfel, motorina este pulverizata in cilindru prin orificiile de la baza pulverizatorului.

Injectia se termina in momentul cand tensiunea scade in electromagnet si supapa bila se inchide, presiunea din rampa patrunde in camera 5, apasa tija 9, fortand acul injectorului sa se aseze pe sediu.

Fig. 17

Sistemul de injectie electronic de tip common rail asigura functionarea motoarelor diesel la parametrii ridicati, cu consumuri reduse de combustibil, si reusesc incadrarea noxelor emise in cele mai restrictive norme.

Exemplul E 1

Un motor diesel functioneaza la turatia de 5000 rot/min, in patru timpi, dupa ciclul cu arderea mixta, figura 2. Parametrii ciclului sunt e l si r Cilindreea este de 1400 cm³, motorul are 4 cilindri si este supraalimentat, astfel ca presiunea p₁=1,8 bar. Se considera ca pe ciclu evolueaza un gaz perfect cu masa moleculara 29 kg/kmol si exponentul adiabatic 1,4. Sa se determine

a)       Randamentul efectiv cunoscand randamentul indicat 0,8 si randamentul mecanic 0,75.

b)       Puterea efectiva.

Solutie

a) Randamentul termodinamic se calculeaza cu formula (4)

Randamentul efectiv se obtine aplicand formula (7)

b) Pentru lucru mecanic pe ciclu se aplica formula (9), iar pentru putere formula (10):

[J/ciclu]

[kW]