Particularitati ale mecanismului de distributie la motoarele supraturate. Distributia desmodromica. Distributia pneumatica.

Particularitati ale mecanismului de distributie la motoarele supraturate. Distributia desmodromica. Distributia pneumatica.

Functionarea corecta a motorului cu ardere interna impune existenta unui mecanism (dispozitiv) de distributie, al carui rol este controlul orificiilor de admisie, respectiv evacuare. In general, mecansimele de distributie sunt de tipul cu supape. Astfel, supapele de admisie si cele de evacuare se deschid si se inchid periodic. Deschiderea la momentul oportun este comandata prin lantul cinematic al mecanismului de distributie (de exemplu, arbore cu came, tachet de translatie, tija impingatoare, culbutor, supapa). Inchiderea supapelor (revenirea supapelor in repaus) se efectueaza, intr-o maniera generala, cu ajutorul resorturilor elicoidale, /1/.

In cazul regimurilor ridicate de turatie, apare fenomenul de "nebunie a supapelor - affolement des soupapes (fr.)", caracterizat de pierderea contacului dintre cama si supapa pe perioada de inchidere a supapei, ca urmare a inertiei arcului. In situatia motoarelor foarte rapide frecventa de deplasare a supapei este ridicata, iar inertia arcului poate impiedica destinderea completa a spirelor acestuia in timpul disponibil. Ca urmare, este posibil ca orificiul controlat de supapa sa nu fie perfect inchis, ceea ce ar determina compromiterea etansarii cilindrului, aparitia socurilor intre organele ce transmit miscarea de la cama la supapa si o functionare zgomotoasa. In plus, arcul s-ar putea rupe.

Resortul elicoidal (arcul) este caracterizat de marimi ca gabarit (numar de spire, diametru spira, diametru de infasurare), rigiditate si grad de oboseala. Rigiditatea arcului exprima capacitatea sa de a exercita o forta in timpul comprimarii sale, iar gradul de oboseala exprima capacitatea sa de a functiona o perioada data, in limitele de deformare impuse, fara a se rupe.

In stare libera (F = 0) arcul are lungimea L₀. Cand supapa se afla in repaus, lungimea arcului este:

L₁ = L₀ - x_min, (1)

unde x_min este sageata produsa la montaj (arcul se monteaza precomprimat - F₁).

Cand supapa atinge ridicarea maxima (h_{s_max}), lungimea arcului devine:

L₂ = L₁ - h_{s_max}, (2)

in aceasta pozitie arcul inregistrand sageata maxima de deformare:

x_max = x_min + h_{s_max} (3)

Asadar, cu cat mai mare va fi sageata de deformare a arcului, cu atat mai mare va fi forta elastica de revenire a arcului (F = k^.x) dar si riscul de rupere.

Astfel dimensionarea arcului este un compromis intre sageata maxima admisibila pentru o functionare sigura si forta elastica a arcului, necesara pentru readucerea rapida a supapei pe pozita inchis.

Este bine cunoscut faptul ca frecventa proprie de vibratie a resortului elicoidal este cu atat mai joasa cu cat sageata maxima de deformare este mai mare. Din acest punct de vedere, sageata maxima de deformare (i.e. inaltimea maxima de ridicare a supapei) trebuie micsorata. Tinand cont de formula frecventei proprii, cresterea rigiditatii (k), si micsorarea masei (m) din considerente de a asigura inchiderea rapida a supapei determina si cresterea frecventei proprii a arcului.

Asadar, se observa caile de actiune de care proiectantul dispune pentru a evita "nebunia" sau "zborul" supapelor.

Din aceste considerente, apare necesitatea de a inlocui mecanismul clasic cu resort elicoidal pentru inchidere, cu altele care sa inlature aceste probleme. Fireste, problema se pune, asa cum s-a specificat si inainte, numai in cazul motoarelor supraturate, stiuta fiind dependenta ce exista intre turatie, intindere unghiulara si temporala:

a = 6^.n^.t (4)

Astfel aceesi intindere unghiulara de 260⁰RAC are loc in 0,0086(6)s la turatia de n=5000rpm, spre deosebire de 0,0028(8)s, la o turatie de 15 000 rpm.

Mecanismul desmodromic inlatura deficientele amintite. Spre deosebire de mecanismul de distributie clasic, el comanda atat deschiderea supapelor cat si inchiderea lor, fara a mai fi necesar arcul de supapa. El a fost realizat in diferite variante, asigurand o marire a puterii fata de cea obtinuta cu mecanismul de distributie obisnuit, la aceeasi turatie. Cresterea puterii se datoreaza faptului ca eliminarea arcurilor de supapa evita consumul de energie pentru comprimarea acestora, in timpul ridicarii supapelor. Sporul de putere este insa limitat din cauza pierderilor mai mari prin frecari.

Mecanismul desmodromic presupune doua came pentru fiecare supapa. Una dintre came comanda ridicarea supapei, prin intermediul unui tachet, iar cealalta asigura revenirea supapei in repaus (inchiderea supapei), trasmitand miscarea printr-un tachet si un culbutor (figura 1). Cu alte cuvinte, o cama obisnuita serveste pentru deschiderea supapei, iar cealalta nu permite supapei    sa se desprinda de pe prima cama si asigura inchiderea supapei, /3/.

Distributia pneumatica a aparut acum 10 ani pe motorul Renault V6 EF15 de F1.

A fost montata pentru prima data pe Lotus 98T al regretatului campion Ayrton Senna la primul Grand Prix al sezonului 1986. Acest tip de distributie echipeaza astazi mai multe motoare de F1 si anume Ford, Peugeot si Renault, precursorul in materie.

Inconvenientele resorturilor metalice elicoidale sunt eliminate de mecanismele desmodromice de distributie, insa pierderile importante de putere datorate frecarilor suplimentare din mecanism au impus cautarea unei alte solutii, in cazul motoarelor de formula 1.

Astfel, in iunie 1982 Jean-Pierre Boudy breveteaza actionarea pneumatica a supapelor, fara bine cunoscutele resorturi elicoidale, la care fiecare supapa dispune de ansamblul sau propriu de reauducere pe pozitia inchis.

Format dintr-un cilindru concentric cu axul supapei, sistemul ocupa locul resortului elicoidal traditional. Functia de piston apartine tachetului ce evolueaza in interiorul unui cilindru. La nivelul acestui ansamblu sunt prezente si doua garnituri de etansare a camerei A.

Gazul comprimat ocupa volumul V₁ pentru situatia supapa inchisa si V₂ pentru situatia supapa deschisa. Pentru primul caz, presiunea gazului este p₁, pentru cel de-al doilea caz, p₂. Fortele ce apar sunt:

F₁ = P₁^. S₁

(5)

F₂ = P₂^. S₂

Presiunea p₁ este furnizata de catre rezerva de gaz sub presiune ce exista la nivelul motorului (in centrul V-ului motorului), iar presiunea p₂ se obtine in urma ipotezei de comprimare izoterma in cilindru:

p₁V₁ = p₂V₂ , (V₂ = V₁ - L^.S) => , (6)

unde L este ridicarea supapei, iar S aria sectiunii camerei.

Trebuie mentionat ca aceasta formula nu ia in calcul incalzirea gazului, ca urmare a comprimarii. Efectul acestei incalziri consta in cresterea presiunii p₂.

Alegerea dimensiunilor camerei (S, V₁) se face avand in vederea evitarea fenomenului de "zbor" al supapelor.

Astfel, sa luam urmatorul exemplu:

D = 27 mm, L = 15 mm, S = 5,7 cm², V₁ = 11,45 cm³, p₁ = 7 bar, V₂ = 2,87 cm³, p₂ > 27,6 bar.

Rezulta: F₁ = 400 N si F₂ = 1600 N (p₂ = 28 bar), ceea ce corespunde unui efort mult mai mare, in cazul revenirii supapei pe sediu, decat in situatia clasica (F₂ = 850 N).

Mai trebuie adaugat ca acest tip de dispozitiv, se confrunta permanent cu scapari de gaze dar si de ulei, motiv pentru care, pe de o parte, camera A trebuie alimentata in continuu pentru a se mentine presiunea p₁, iar pe de alta parte, trebuie golita de uleiul ce se acumuleaza. Rezerva de gaz plasata in centrul V-ului motorului are un volum de 1,5 l gaz aflat la 180 bar.

Avantajele actionarii pneumatice a supapelor sunt:

- legi de ridicare a supapelor mult mai severe;

- posibilitatea functionarii normale la regimuri de turatie ridicate;

- fiabilitate ridicata.

Bibliografie:

1. Gruwald, B. - Teoria, Calculul si Constructia Motoarelor pentru Autovehicule Rutiere,EDP 1980

2. Bobescu, Gh. Abaitancei, D, s.a. - Motoare pentru Automobile, EDP 1978

3.Guyot, R. - Distribution pneumatique. Pas d'affolement, Auto Concept, fvrier - mars 1995