Calculul Si Constructia Sistemului de Distributie a Gazelor de la Un Motor cu Aprindere Prin Scanteie, cu Pn = 90 [kw], la Turatia Nn = 5300 [rotmin]

REZUMAT

Tema lucrării de finalizare a studiilor are titlul: Calculul și construcția sistemului de distribuție a gazelor de la un motor cu aprindere prin scânteie, cu Pn = 90 [kw], la turația

nn = 5300 [rot/min].

Lucrarea cuprinde doua parți: partea scrisa; partea grafică.

Partea scrisă a lucrarii cuprinde introducerea si trei capitole: construcția sistemului de distribuție; procedee moderne de reducere a noxelor poluante si calculul sistemului de distribuție al gazelor la motorul MAS.

La capitolul "Construcția sistemului de distribuție" sunt prezentate scheme constructive și construcția elementelor de baza a sistemului de distribuție: supape; arborele cu came; mecanismul de acționare; galeriile de admisie și evacuare. Sunt prezentate sistemele de distribuție moderne folosite la construcția motoarelor pentru autovehicule.

Capitolele "Studiul sistemului de admisie" și "Studiul sistemului de evacuare" prezinta construcția și funcțiunarea sistemelor de admisie si distributie ai autovehiculului.

La capitolul, Procedee moderne de reducere a noxelor poluante, sunt prezentate procedeele modern de reducere a noxelor poluante, în principal sistemul de reciclare a gazelor de evacuare EGR. Este prezentată și diagnosticarea acestui sistem de evacuare.

La capitolul, Calculul sistemului de distribuție al gazelor la motorul MAS este prezentată metodologia de calcul a sistemului de distribuție al gazelor de la MAS, cu aplicație numerica pentru motorul MAS din tema.

Partea grafică cuprinde desenul de ansamblu al unui motor cu aprindere prin scânteie și un desen de execuție al supapei de admisie

CUPRINS

CUPRINS

INTRODUCERE

CAP. 1 CONSTRUCȚIA SISTEMULUI DE DISTRIBUȚIE

1.1. MECANISMUL DE DISTRIBUȚIE PRIN SUPAPE

1.2. SISTEME DE ANTRENARE A MECANISMULUI

CAP. 2 STUDIUL SISTEMULUI DE ADMISIE

CAP. 3 STUDIUL SISTEMULUI DE EVACUARE

CAP. 4 PROCEDEEE MODERNE DE REDUCERE A NOXELOR POLUANTE

4.1. Diagnosticarea sistemului de evacuare a sistemului EGR

CAP. 5 CALCULUL SISTEMULUI DE DISTRIBUȚIE AL GAZELOR

CAP. 6 CALCULUL TERMOGAZODINAMIC AL MOTOTORULUI

BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE

Sistemul de distribuție a gazelor-reprezinta ansamblul tuturor organelor care permite umplerea periodica a cilindrului cu gaze proaspete si evacuarea periodica a gazelor de ardere din cilindrii motorului în atmosfera. Sistemul de distribuție trebuie sa fie eficient adica sa asigure un grad de umplere Ƴn, si de evacuare ridicat Ƴm. Sistemul de distributie trebuie sa asigure silențiozitatea schimbului de gaze (sa reduca zgometele produse de curgerea gazelor) și sa fie el însuși silențios (numarul mare de piese in mișcare,care intra in alcatuirea lui si jocurile funcționale sunt o sursa importanta de zgomot). Sistemul de distribuție trebuie sa fie simplu de fabricat si de întreținut, ieftin si durabil.

Sistemul de distribuție este alcatuit din trei parți:1) conductele de gaze (colectoarele) care transporta si distribuie fluidul proaspăt între cilindrii,care colecteaza si transporta gazele de ardere în atmosferă; 2) mecanismul care comandă deschiderea si închiderea periodica a orificiilor de admisiune si evacuare ale cilindrilor; 3) amortizorul sau amortizoarele de zgomot care limiteaza intensitatea zgomotelor produse de evacuarea gazelor de ardere sau de admisiunea fluidului proaspat.

Se disting trei procedee de comanda a deschiderii și închiderii orificiilor de admisiune și evacuare, denumite: distribuție prin supape,distribuție prin sertare,distribuție prin lumini.Primele doua procedee pretind un mecanism special de comanda; ultimul procedeu asigura comanda cu ajutorul mecanismului biela-manivela, prin intermediul pistonului.Distribuția prin supape este universala la motoarele in patru timpi;numai pentru unele moatoare destinate masinilor de curse s-a adoptat distribuția prin sertare. Distribuția prin lumini este caracteristica la motoarele in doi timpi; unele motoare in doi timpi utilizeaza distribuția mixta prin supape si lumini.

Motorul diesel are ca și caracteristică funcționarea cu amestec sărac, aerul necesar arderii în totalitate a motorinei fiind în exces. Deasemenea, datorită presiunii înalte care se formează cilindru, temperatura la care are loc arderea este ridicată. Excesul de oxigen și temperaturile înalte sunt elementele de bază pentruformarea oxizilor de azot. Din acest motiv motorul diesel, comparativ cu motorul pe benzină, este mai poluant producând cantitați mai mari de NOx – e.

Există un mecanism complex care face posibilă reintroducerea gazelor arse rezultate în urma arderii înapoi în galeria de admisie. Acest proces contribuie la o scădere semnificativă a emisiilor de NOx, deoarece reduce cele două elemente care stau la baza producerii acestuia.

     Prin reintroducerea gazelor arse în galeria de admisie, o fracțiune din oxigenul necesar arderii este înlocuit cu gaze arse ceea ce duce la scăderea cantității de oxigen în exces.

Deoarece gazele arse absorb o parte din căldura generată în urma arderii se reduce și temperatura maximă intr-un ciclu motor.

Recircularea gazelor arse în galeria de admisie nu se face continuu în timpul funcționării motorului. Unitatea de control electronică acționează o supapă care permite accesul gazelor arse în admisie. Pe motoarele supraalimentate controlul debitului de gaze arse se face și cu ajutorul unui obturator, care prin închidere, scade presiunea în galeria de admisie și facilitează curgerea gazelor dinspre galeria de evacuare.

Acest procedeu reduce semnificativ cantitatea de NOx.

Partea mai puțin bună a acestui procedeu este data de situația în care gazele de evacuare sunt introduse excesiv în admisie, având un impact asupra creșterii emisiilor de monoxid de carbon (CO), hidrocarburi (HC) și particule (PM), deoarece acestea se produc ca urmare a arderii incomplete a combustibilului din lipsă de oxigen.

CONSTRUCȚIA SISTEMULUI DE DISTRIBUȚIE

MECANISMUL DE DISTRIBUȚIE PRIN SUPAPE

SCHEMA CONSTRUCTIVĂ

Sistemul de distribuție a gazelor de la un motor termic cu alimentare cu benzină se compune din câteva subansamble, pe care o să le prezentăm în continuare. Cel mai important subansamblu din acest sistem de distribuție, este mecanismul de distribuție (fig. 1.1-1.3).

Fig. 1.1. Mecanism de distribuție cu arborele cu came in chiulasa [5]

1 – ghidul supapei, 2 – arc, 3 – axul camelor, 4 – cama, 5 – tachet, 6 – tijă, 7 – culbutor.

Elementele fundamentale ale mecanismului de distribuție sânt: supapa 1 care obtureaza orificiile de schimbare a gazelor; arcul 2 care mentine supapa pe sediu care împiedica desprinderea ei de sistemul de comandă miscarii:arborele de distribuție 3 cu cama 4 care comandă miscarea supapei; sistemul de împingatori – tachetul 5, tija 6 și culbutorul 7 – când arborele de distribuție este așezat lateral (fața de cilindru) și nu acționeaza direct supapa; sistemul de transmitere a mișcarii de la arborele cotit la arborele de distribuție.

La motoarele policilindrice mecanismul de comanda comportă o simplificare cînd supapele sînt asezate pe aceeasi linie,deoarece este suficient un singur arbore de distribuție cu camele decalate între ele.Pentru a mari durabilitatea camelor si frecvența proprie a arcului sau ansamblului de piese in mișcare se reduc forțele de inerție,prin eliminarea unor piese din mecanismul de comandă. Arborele de distribuție se așeaza in chiulasa – solutie care se raspandește astazi la motoarele de turism cu turație sporita, peste 5500 [rot/min].

Noile motoare de cilindree mică și medie pentru autoturisme, de maximum 2.0 [litri], vor fi supraalimentate cu turbo-compresoare  produse de firme specializate.

Motoarele EcoBoost de trei sau patru cilindri, cu injecție directă de benzină, vor genera 100…120 [CP] dintr-o cilindree de numai 1,5 [litri]. Aceste sunt programate să echipeze noile modele Ford B-Max, Focus și C-Max.

În comparație cu un motor de aceeași cilindree și putere maximă, dar aspirat și cu injecție indirectă, cu camereă laterală, EcoBoost, datorită injecției directe de motorină și a turbo-supraalimentării, beneficiază de o reducere a consumului de combustibil cu până la 20%.

Fig.1.2. Mecanism de distribuție cu arborele cu came in blocul motorului [5]

așezare în chiulasă, b) așezare în blocul motor

Fig. 1.3. Diferite secțiuni și forme ale galeriei de admisie [5]

a) – bloc motor vertical, b) – bloc motor înclinat

La toate motoarele axul cu came, două axe cu came, este așezat în chiulasă, acesta ridică un culbutor, care la rândul lui, apasă supapa spre deschidere.

Temperatura mai scăzută a gazelor arse introduse în admisie determină o densitate mai mare a acestora. Prin răcirea gazelor de evacuare, înainte de a fi recirculate, se îmbunătățește eficiența sistemului, deoarece cantitatea de gaze inerte în admisie crește ce rezultă într-o temperatura la sfîrșitul arderii mai mică și cantitatea de oxigen în cilindru mai redusă.

Fig. 1.4. Modalități de construcție culbutor, supape, arbore cu came și camere de ardere. [5]

Daca supapele sînt asezate pe aceeasi linie se utilizeaza un singur arbore de distribuție care antreaneaza direct supapa;cînd supapele sînt încalzite miscarea se transmite printr-un culbutor (b) sau parghie (c).

Dacă se prevăd mai mult de doua supape se utilizeaza doi arbori de distribuție cînd supapele de admisiune si cele de evacuare sînt asezate fiecare oe aceeasi linie sau un singur arbore de distribuție, se confecționeaza din fonta, mase plastice sau textolit (pentru atenuarea zgomotelor), și are, la motorul in patru timpi un diametru de doua ori mai mare (un numar dublu de dinti), pentru a reduce la jumatate turația arborelui de distribuție. Pentru a reduce lațimea motorului, se utilizeaza o roata intermediara (b) care asigura totodata transmiterea mișcarii la pompa de injecție (motoarele pentru autocamioanele DAC și ROMAN). Se obține o funcționare silențioasa daca se confecționeaza roțile dințate cu dinți oblici.Cînd arborele de distribuție se amplaseaza la nivelul superior al blocului – carter sau in chiuloasa se utilizeaza transmisia cu axe cu roti dințate conice sau transmisia cu lanț. Schema c se utilizeaza la motoarele in V. Transmisia cu lanț sau curea este simpla, silențioasa, compacta (nu pretinde roți dințate cu diametre mari).

În cadrul sistemului de distribuție al gazelor prin motorul termic, sistemul de comandă al timpilor de lucru, sunt (Fig. 1.4) supapele de admisie amestec proasăt și supapele de evacuare, care dau drumul gazelor arse spre turbosuflantă, sau spre toba de eșapament.

Fig. 1.5. Părțile subansamblului cu o supapă [5]

1 – Talerul supapei, 2 – corp chiulasă, 3 – tija supapei, 4 – ghidul supapei, 5 – resortur principal și secundar, 6 – șaibă profilată, 7 – Șaiba de reținere.

Dupa forma talerului, supapele sînt de trei feluri: cu taler plat; cu taler sferic; cu taler in forma de lalea.Supapa cu taler plat are o mare răspîndire, deoarece se prelucreaza ușor, iar rigiditatea este satisfacătoare. Supapa cu taler sferic se utilizeaza îndeosebi ca supapa de evacuare deoarece are o rigiditate sporita. Supapa cu taler în forma de lalea se utilizeaza ca supapa de admisiune, deoarece permite o racordare mai larga cu tija odata cu reducerea masei prin evazare, ceea ce asigură formă aerodinamică, masă mică si rigiditate mare; are o suprafață sporită de contact cu gazele fierbinti si evacuează greu fluxul termic, nefiind potrivită ca supapă de evacuare.

După cum reiese din (Fig. 1.6), supapele sunt organe de lucru în condiții grele de lucru – temperaturi mari la un capăt și mai reduse spre celălalt capăt.

Piesele de montaj al supapelor în chiulasă, sunt formate din ghidul de conducere în mișcarea dute – vino al supapei, care trebuie să fie uns sau semiuns. De asemenea supapele sunt ridicate pe inelul de etanșare, de resorturi puternice. Aceste resorturi sunt împiedicate să iasă la capătul supapei , prin două siguranțe conice dintr-un material călit la 55 – 65 HRC. Inelul de etanșare din chiulasă, este fabric temperaturi mari la un capăt și mai reduse spre celălalt capăt.

Piesele de montaj al supapelor în chiulasă, sunt formate din ghidul de conducere în mișcarea dute – vino al supapei, care trebuie să fie uns sau semiuns. De asemenea supapele sunt ridicate pe inelul de etanșare, de resorturi puternice. Aceste resorturi sunt împiedicate să iasă la capătul supapei , prin două siguranțe conice dintr-un material călit la 55 – 65 HRC. Inelul de etanșare din chiulasă, este fabricat din oțel carbon, aliat cu Cr și V, care prin călire ajunge la 55 – 60 HRC.

Fig. 1.6. Gradientele de temperatură în zona de lucru a supapei [5]

a), c) – admisie și b), d) – evacuare

Fig. 1.7. Jocul care trebuie redus Fig. 1.8. Ghidul supapei, este presat

până la o valoare minimă [5] în chiulasă [5]

Materialul din care sunt fabricate supapele este un oțel aliat cu Cr 12..15 procente, care se obține prin forjare la cald, după care se strunjesc, iar după tratament termic, se rectifică la o suprafață extrem de fină.

Fig. 1.9. Forme constructive ale ghidurilor de supape[5]

Fig. 1.10. Zonele de pe cama de la o supapă a) și desenul de execuție al profilului camei b) [5]

Profilul camei se detrmină în raport cu cerințele cinamatice; se verifică apoi prin calcul timpul sau unghiul-secțiune. Profilul trebuie sa comande deplasarea supapei cu accelerații mici pentru a limita forțele de inerție.

Un profil simplu este cel executat din doua arce de cerc(camera armonică). Profilul se construieste pe baza diagramei fazelor de distribuție din care rezulltă durata deschiderii supapei.

1.2. SISTEME DE ANTRENARE A MECANISMULUI

Sistemul de antrenare al arborelui cu came, se face fie prin curea dințată dublă, fie prin curea dințată, ambele sisteme se folosesc la autoturime. Curea de distribuție, mai antreneaza și pompa de alimentare cu motorină, pompa de apă, alternatorul.

Fig.1.11. Sistem de antrenare prin lanț, sau prin curea dințată a sistemului de distribuție [4]

Fig. 1.12. Schema unui sistem de distribuția gazelor printr-un motor [5]

1 – ax cu came, 2 – ventilator, 3 – alternator, 4 – pompa de ungere, 5 – pompa , 6 – delcou,

7 – pompa de răcire

Galerii de admisie și evacuare

Galeriile de admisie, trebuie să fie rezistente la presiuni de 3 – 4 atmosfere, de aceea se folosesc cele mai bune mase plastice, termorezistente.

Fig. 1.13 Interferența gazelor admise la motoarele policilindrice [6]

Fig. 1.14 Interferența gazelor evacuate la motoarele policilindrice [6]

Fig. 1.15 Distrbuție modernă al aerului de intrare în cilindrul motorului. Axul distribuitor cu came, este poziționat în chiulasă [8]

Fig. 1.16 Galeria de admisie al aerului la un motor MAC

Fig. 1.17 Galeriile aerului care vin din filtrul de aer, în cilindrul motorului. Axul distribuitor cu came, este poziționat central în blocul motor [8]

Fig. 1.18 Sistem de alimentare prin turbosupraalimentare [2]

Gazele arse parțiale care ies din turbina de supra alimentare, sunt răcite, pentru ca să fie mai dense, iar fracțiunile nearse se separă mai ușor. Turbosuflanta trimite aerul în galeria de admisie, care fără răcire, este un aer cald, care poate compromite plasticul din care sunt confecționate galeriile de admisie.

Din punct de vedere tehnic turbo-compresoarele furnizate de firme specializate, dotate pe evacuare cu o supapă de descărcare, pentru a limita presiunea aerului comprimat. De asemenea, pe galeria de admisie, turbo-compresorul va fi prevăzută cu o altă supapă de descărcare, care se va deschide în momentul în care obturatorul este închis, eliminând astfel pericolul contra presiunii după compresor.

Fig. 1.19 Câteva conexiuni la calculatorul de bord [3]

Galeriile de evacuare, se fabrică din fontă de calitate, care trebuie să reziste la temperaturi de 1200 ºC. Aceste galerii se obțin prin turnare cu modele fuzibile.

Fig. 1.20. Eșapament complet, prevăzut cu tobă finală pentru atenuarea zgomotului [9]

Fig. 1.21 Subansamblele unei tobe de eșapament [9]

STUDIUL SISTEMULUI DE ADMISIE

Sistemul de admisie este format din următoarele componente:

Galerie de admisie,

Supapa de admisie,

Arbore cu came,

Culbutor.

Modul de funcționare al sistemului de admisie este urmatorul:

Supapa de admisie se deschide prin intermediul forței exexcitate de levierului intermediar care este poziționat între arborele cu excentric și culbutor. Arborele cu came acționează asupra levierului intermediar care apasă pe supapa de admisie. Înălțimea de ridicare a supapei de admisie este dată de poziția arborelui cu excentric. Astfel, deschiderea supapei de admisie se realizează prin mișcarea combinată a arborelui cu came cu cea a arborelui cu excentric.

    Pentru reducerea frecărilor dintre piesele aflate în mișcare de rotație, toate zonele de contact dintre arborele cu excentric, levier intermediar, culbutor și arbore cu came utilizează rulmenți cu role.

Fig. 2.1. Sistemul de distribuție Valvetronic BMW [9]

1-chiulasă, 2-supapă de evacuare, 3-supapă de admisie, 4-arbore cu came evacuare

5-motor electric de acționare, 6-angrenaj melcat (raport de transmitere 51:1)

7-arbore cu excentric, 8-levier intermediar, 9-arbore cu came admisie

10-arc de revenire levier intermediar, 11-culbutor, 12-reazem hidraulic culbutor

STUDIUL SISTEMULUI DE EVACUARE

Funncțiile generale ale sistemului de evacuare sunt:

transferul gazelor de evacuare (transferul gazelor de la motor catre partea din spate a autovehiculului )

mentinerea nivelului sonor la o valoare minimă (acest nivel este reglementat de catre institutii abilitate la niveluri diferite, in functie de clasa in care se incadreaza si tara in care circula autovehiculul)

conversia unei cantități mari din gazele poluante emise de motor in gaze inerte sau gaze cu efect de seră.

Oxizii de azot (NOx) sunt emisii poluante din gazele de evacuare ale unui automobil cu un efect nociv asupra sănătății omului si mediului înconjurător. Atât motoarele pe benzină cât și cele diesel produc oxizi de azot în urma arderii amestecului aer-combustibil. Datorită principiului de funcționare și a caracteristicilor diferite ale combustibililor celor două motoare, nivelul emisiilor de NOx este diferit.

Direcția genereală este de a se reduce nivelul enisiilor poluante.

     EGR-ul este un sistem complex care permite reintroducerea gazelor rezultate în urma arderii, înapoi în galeria de admisie. Acest procedeu duce la scăderea semnificativă a emisiilor de NOx.

      Recircularea gazelor arse în galeria de admisie nu se face continuu în timpul funcționării motorului. Calculatorul de la bordul automobilului, comandă supapa EGR pentru a permite gazelor arse să intre în admisie. Pe motoarele supraalimentate controlul debitului de gaze arse se face și cu ajutorul obturatorului care, prin închidere, scade presiunea în galeria de admisie și facilitează curgerea gazelor dinspre galeria de evacuare.

    Sistemul EGR, reduce semnificativ cantitatea de NOx dar, dacă gazele de evacuare sunt introduse excesiv în admisie, poate avea impact asupra creșterii emisiilor de monoxid de carbon, hidrocarburi și particule, deoarece acestea se produc ca urmare a arderii incomplete a combustibilului din lipsă de oxigen. [11]

Fig. 3.1. Sistemul de admisie și evacuare al unui motor termic [2]
1 – compressor, 2 – turbină, 3 – sondă lambda, 4 – supapă EGR cu comandă electro-pneumatică, 5 – obturator admisie, 6 – galerie admsie, 7 – galerie evacuare, 8 – injector

Utilizarea EGR-ul se face în domeniul sarcinilor parțiale ale motorului și la turații mici și medii, domenii în care oxigenul este în exces. În cazul în care conducătorul dorește un cuplu ridicat de la motor sistemul EGR este dezactivat.

    Reglarea EGR-ului trebui să se facă astfel încât sa existe un echilibru între nivelul emisiilor poluante și performanțele dinamice ale automobilului.

Sistemul EGR cu răcire întermediară [12].

Cu cât temperatura gazelor arse introduse în admisie este mai scăzută cu atât densitatea acestora este mai mare. Prin răcirea gazelor de evacuare, înainte de a fi recirculate, se îmbunătățește eficiența sistemului EGR deoarece cantitatea de gaze inerte în admisie crește ce rezultă într-o temperatura la sfîrșitul arderii mai mică și cantitatea de oxigen în cilindru mai redusă.

Fig. 3.2. Sistemul EGR cu răcire intermediară – Hitachi [12]

1 – conductă prin care trece lichidul de răcire al motorului, 2 – radiator pentru răcirea gazelor de evacuare, 3 – galeria de evacuare, 4 – chiulasă, 5 – galeria de admisie, 6 – supapa EGR cu acționare electrică, 7 – unitatea de control electronică

După ce temperatura motorului ajunge la valoarea nominală, pentru a crește eficiența sistemului EGR gazele arse trecute printr-un radiator prentru a fi racite. Supapa by-pass este activată atunci când motorul este rece, gazele arse ocolesc radiatorul de răcire și intră direct în motor.

    Componenta principală a sistemului EGR este supapa de recirculare a gazelor arse care mai este numită și supapă sau vană EGR.

     Primele supape EGR comercializate erau cu acționare electro-pneumatică. Acest tip de acționare avea avantajul izolării părții electronice a EGR-ului de componentele cu temperatură înaltă. Motoarele moderne cu sisteme EGR sunt dotate aproape integral cu supape acționate electric și comandate direct de unitatea de control electronică a motorului.

Fig. 3.3. Supapă care trimite comandat, gaze arse spre admisie, acționată electric

Avantajul supapelor EGR cu acționare electrică cu motor electric de curent continuu, comparativ cu cele cu acționare electro-pneumatică, este dat de timpul de răspuns mai mic. Pentru supapele cu actionare electrica deschiderea și închiderea se realizează sub pragul de 100 de milisecunde. Acest lucru este important deoarece se dorește închiderea completă a supapei EGR când conducătorul auto dorește sa atingă cuplul maxim al motorului.

    Pentru răcirea gazelor de evacuare se utilizează radiatoare care folosesc lichidul de răcire al motorului ca agent termic.

Fig. 3.4. EGR cu răcire intermediară și supapă de by-pass

Unele radiatoare sunt prevăzute cu mai multe tuburi centrale prin care circulă gazele de evacuare. Pe lângă aceste tuburi curge lichidul de răcire a motorului care preia o parte din căldura gazelor de evacuare.

Fig. 3.5. Secțiune printr-un radiator de răcire gaze arse într-un sistem EGR

Fig. 3.6. O modalitate de recuperare a gazelor de evacuare, care este folosită la reintroducerea cu aerul proaspăt în cilindru (sistem EGR)

1 – intrare aer proaspăt, 2 – ieșire aer cald, 3 – evacuare gaze arse, 4 – camera de ardere,

5 – admisia aerului proaspăt

Fig. 3.7. Schema de alimentare cu aer și combustibil al unui motor.

Sunt prezente conexiuni pentru calculatorul de bord

1 – intrare aer atmosferic, 2 – evacuare, 3 – senzor lambda, 4 – senzor de presiune, 5 – dozator de aer, 6 – racord aer, 7 – racord evacuare, 8 – injector motorină

Diametru turbinei (Fig. 3.8) este de numai 38 mm, răspuns la accelerații fiind prompt datorită masei și a inerției mici. Solicitările mecanice și termice sunt impresionante de reduse, turația turbinei ajungând la valori de nn =  240000 rot/min într-un timp nT = 4000 rot/sec, iar temperatura până la 1050 °C.

Fig. 3.8. Turbo-compresorul Continental pentru motorul Ford EcoBoost de 1.0L

PROCEDEEE MODERNE DE REDUCERE A NOXELOR POLUANTE

Principalele emisii poluante ale automobilelor sunt:

– monoxidul de carbon CO;

– oxizii de azot NOx;

– hidrocarburile HC;

– particulele PM.

Cea mai des utilizată metodă de a reduce emisiile poluante de pe un automobile este catalizatorul. În cazul în care catalizatorul reduce proporțiile de CO, NOx și HC din gazele de evacuare, acesta se numește catalizator pe trei căi.

Pentru a asigurarea ardererii complete a combustibilului din motor (benzină sau motorină) este nevoie de o anumita cantitate de oxigen. Pentru a arde complet 1 kg de benzină avem nevoie de aproximativ 14.7 kg de aer. Dacă acest raport se păstrează (14.7:1) și în cilindru, se poate presupune că amestecul din cilindru este stoichiometric.

Notația utilizată în literatura de specialitate, pentru evalua raportul aer: combustibil din motor, este litera greceasca lambda (λ). Relativ la tipul amestecului aer-combustibil din motor putem avea urmatoarele situații:

amestec bogat (λ < 1): în acest caz combustibilul este în exces, aerul nefiind suficient pentru o ardere completă;

amestec stoichiometric (λ = 1): în acest caz raportul aer-combustibil este ideal arderea fiind completă;

amestec sărac (λ > 1): în acest caz aerul este în exces, arderea fiind completă dar cu exces de oxigen;

    Tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau sărac, influențează în mod direct nivelul emisiilor poluante. Astfel în caz unui amestec bogat, combustibilul fiind în exces, arderea este parțială, rezultă emisii bogate în monoxid de carbon (CO) și hidrocarburi (HC). În cazul amestecurilor sărace, oxigenul fiind în exces, conduce la creșterea nivelului de oxizi de azot (NOx) din gazele de eșapament. Compromisul este făcut în cazul amestecului stoichiometric, caz în care emisiile sunt la un nivel mediu pentru fiecare din cele trei componente (CO, HC și NOx). [10]

Fig. 4.1. Limita emisiilor de NOx pentru autoturisme prevăzută de legislația europeană [11]

Funcțiile sistemului de evauare:

Nivelul scazut al poluării fonice este dat de introducerea pe traseu a tobelor (intermediare, finale), ce poarta numele si de rezonatoare sau atenuatoare de zgomot. Gazele de evacuare sunt impiedicate sa paraseasca repede traseul si obligate sa parcurga trasee sinuoase prin site si orificii de diametre diferite. Astfel, tobele reprezinta o bariera in calea gazelor de evacuare, fapt ce explica absenta acestora in aplicatii motorsport.

Reducerea cantității de emisii poluante se realizeaza cu ajutorul catalizatorului (convertorul catalitic), care, in anumite conditii (raport stoechiometric si temperatura specifica~300 grade Celsius) transforma principalele gaze poluante (Oxizi de azot NOx, monoxid de carbon CO si hidrocarburile HC ) in gaze inerte sau gaze cu efect de sera. Catalizatorul, oxideaza acesti compusi cu dezavantajul de a creea o bariera in calea gazelor de evacuare si evident de a scadea performantele motorului.

Tendința generala a constructorilor de autovehicule este de a minimaliza cantitatea de poluanți in detrimentul performantelor motoarelor. Nivelul sonor destul de scazut este atins de majoritatea automobilelor mai ales datorita numarului mare de tobe si dimensiunile acestora.

Sistemul de evacuare este compus din rețeaua de conductele si componentele ce conduc gazele de evacuare produse in urma procesul de ardere catre mediul ambiant.

In functie de construcția si de functiile ce trebuiesc indeplinite, sistemele de evacuare au in componență:

galeria de evacuare

tubulatura supraalimentare (optional)

sonde de oxigen (Lambda)

convertor catalitic

toba intermediara

toba finala (rezonator)

tubulatura

Fig. 4.2. Sistemul de evacuare [9]

Automobilele moderne, datorita complexitatii sistemelor prezente in cadrul lor, determina 2 zone esentiale ale sistemului de evacuare:

zona galeriei de evacuare si a catalizatorului

zona atenatuatoarelor de zgomot (a tobelor), denumita si "cat-back"

Sistemul EGR reduce semnificativ cantitatea de NOx dar, dacă gazele de evacuare sunt introduse excesiv în admisie, poate avea impact asupra creșterii emisiilor de monoxid de carbon (CO), hidrocarburi (HC) și particule (PM), deoarece acestea se produc ca urmare a arderii incomplete a combustibilului din lipsă de oxigen.

    Utilizarea EGR-ul se face în domeniul sarcinilor parțiale ale motorului și la turații mici și medii, domenii în care oxigenul este în exces. În cazul în care conducătorul dorește un cuplu ridicat de la motor sistemul EGR este dezactivat.

Fig. 4.3. Domeniul de utilizare al EGR-ului pentru motoarele pe benzină și diesel [9]

4.1. Diagnosticarea sistemului de evacuare a sistemului EGR

EGR-ul, fiind un sistem de reducere a emisiilor de oxizi de azot, este monitorizat de calculatorul de injecție cu scopul de a detecta posibilele defecte. Deoarece este un sistem de reducere a poluării, la detectarea unui defect EGR, se aprinde martorul MIL din bordul automobilului.

Fig. 4.4. Sistemul de control al debitului gazelor arse recirculate – EGR
1 motor termic, 2 supapă EGR, 3 supapă de control a circuitului de răcire a gazelor arse (supapă de by-pass), 4 radiator de răcire a gazelor arse, 5 senzor de temperatură, 6 obturator,

7 calculator de injecție, 8 compresor, 9 turbină

Diagnoza sistemului EGR, constă în testarea elementelor electronice care intră în componența acestuia [11]:

– supapa EGR

– supapa circuitului de răcire a gazelor recirculate

– obturatorul pe circuitul de admisie

– senzorul de temperatură a gazelor recirculate răcite

Supapa EGR [11].

În funcție de regimul de funcționare al motorului (turație și cuplu) debitul de gaze arse este ajustat de calculatorul de injecție prin deschiderea și închiderea supapei EGR. Poziția supapei este controlată cu ajutorul unui actuator electric (solenoid sau motor) sau cu un cilindru pneumatic (controlat electronic).

    Reglarea poziției supapei EGR este deosebit de importantă deoarece afectează cuplul motor și nivelul de emisii poluante. Din acest motiv majoritatea supapelor EGR sunt prevăzute cu un senzor de poziție care transmite informația calculatorului de injecție.

    Datorită depunerilor de particule supapele EGR se pot bloca. În funcție de poziție, blocarea unei supape EGR poate să aibă impact asupra integrității motorului sau asupra emisiilor poluante. Astfel, dacă supapa EGR se blochează în poziția închis, gazele arse nu mai ajung în galeria de admisie iar emisiile de oxizi de azot cresc. Pe de altă parte, dacă supapa EGR se blochează în poziția deschis gazele arse vor fi recirculate tot timpul în admisie și pot afecta funcționarea în siguranță a motorului datorită temperaturii ridicate.

Supapa de control a circuitului de răcire a gazelor arse. Unul din motivele pentru care se utilizează sistemele EGR este reducerea temperaturii de ardere din cilindru. Gazele arse dacă sunt introduse direct în galeria de evacuare, datorită temperaturii ridicate, nu au efect semnificativ asupra procesului de reducere a emisiilor de oxizi de azot.

    Începând cu normele de poluare Euro 4 majoritatea motoarelor diesel pentru automobile au fost echipate cu sisteme EGR răcite. Aceste sisteme utilizează un circuit cu radiator pentru răcirea gazelor de evacuare înainte ca acestea să fie introduse în motor. Pentru răcirea gazelor arse de obicei se utilizează lichidul de răcire al motorului.

    Prin răcire se crește densitatea gazelor și se îmbunătățește eficiența sistemului EGR din două motive:

1- scade temperatura de ardere din cilindru

2- scade cantitatea de oxigen din gazele proaspete datorită densității mai mari a gazelor arse.

    Răcirea gazelor arse nu se face continuu ci numai după ce temperatura motorului atinge o anumită limită. Circuitul de răcire este prevăzut cu o supapă de by-pass care permite gazelor arse trecerea prin radiator sau ocolirea acestuia.

TABEL 4.1. Codurile OBD ale supapei de răcire EGR [10]

Senzorul de temperatură.

Decizia de răcire a gazelor arse este luată de calculatorul de injecție pe baza informației primită de la senzorul de temperatură. Acesta citește temperatura gazelor de evacuare înainte să fie introduse în galeria de admisie.

TABEL 4.2. Codurile OBD ale senzorului de temperatură [10]

Obturatorul.

Controlul debitului de gaze arde se poate face doar prin deschiderea/închiderea supapei EGR sau și cu ajutorul obturatorului de pe galeria de admisie. Obturator are forma constructivă simulară cu ceea a unui obturator utilizat pe motoarele pe benzină dar este utilizat în scop diferit.

Atunci când se dorește un debit mare de gaze arse în galeria de admisie obturatorul se închide, curgerea aerului proaspăt fiind restricționată iar debitului gazelor de evacuare mărit.

TABEL 4.3. Codurile OBD ale obturatorului din admisie [10]

Fig. 4.5. Obturator admisie pentru motorul diesel

       Defectarea unei componente a sistemului de recirculare a gazelor de evacuare atrage după sine imposibilitatea de a reduce emisiile poluante. Din acest motiv apariția unui defect în cazul componentelor sistemului EGR va aprinde martorul de emisii poluante din bordul automobilului.

Calculatorul de injecție. Utilizând informația de la senzorul de masă de aer, calculatorul de injecție ajustează timpul de deschidere al injectoarelor reglând astfel cantitatea de combustibil injectată. Acest mod de control al injecție se numește control în bucla închisă (closed loop control) și se bazează pe informația primită de la senzori.

Senzorul de presiune aer admisie – mod de funcționare și diagnoză. La motoarele termice masa aerului admis în motor este utilizată pentru calculul cantității de combustibil ce trebuie injectată. Determinarea masei de aer se poate face în două moduri: prin utilizarea unui debitmetru masic de aer sau prin utilizarea unui senzor de presiune a aerului din admisie.

     Senzorul măsoară presiunea absolută a aerului din galeria de admisie. Acest senzor mai este cunoscut și sub denumirea de senzor MAP. Utilizarea unui senzor de presiune aer în locul unui debitmetru este determinată de costul mult mai redus al acestui senzor.

    Senzorul de presiune aer admisie este poziționat după clapeta de accelerație. În cazul în care motorul este turbo supraalimentat mai există un senzor de presiune aer înainte de clapeta de accelerație (după compresor) care citește preiunea aerului comprimat.

     Pentru calculul masei de aer din cilindri, utilizând un senzor de presiune aer, calculatorul de injecție utilizează în plus următoarele informații:

1- cilindreea motorului

2- densitatea aerului

3- presiunea absolută a aerului din admisie

4- turația motorului

5- randamentul volumetric

6- temperatura motorului

7- temperatura aerului din admisie

    De asemenea, în cazul în care motorul este prevazut cu sistem EGR, calculatorul de injecție, pentru calculul masei de aer proaspăt din cilindri, ține cont și de debitul de gaze arse introduse în motor.

Fig. 4.6. Senzor de presiune aer admisie – componente

1 capac de protecție, 2 conector electric, 3 element sensibil, 4 sistem electronic de procesare a semnalului, 5 canal de legătură cu galeria de admisie

Elementul sensibil (3), care măsoară presiunea aerului din admisie, conține un element piezorezistiv. Acesta generează o tensiune electrică proporțională cu presiunea aerului măsurat. Circuitul electronic conține și un sistem de compensare a influenței temperaturii asupra valorii presiunii măsurate.

    Senzorul de presiune aer poate fi utilizat atât pe motoarele aspirate cât și pe cele supraalimentate. Domeniul de măsură este situat între 0.4 și 2.5 bari. Pentru măsurarea presiunii, sensorul necesită o tensiune de alimentare, de obicei de 5V.

Fig. 4.7. Senzor de presiune aer admisie Fig. 4.8. Senzor de presiune și

temperatură aer admisie

     Deoarece la calculul masei de aer, utilizând informația de presiune a aerului din admisie, intră și valoarea temperaturii aerului, anumite versiuni au un pin adițional prin care se citește temperatura aerului din admisie.

TABEL 4.4. Caracteristicile tehnice ale senzorului de presiune aer admisie

Acest timp de senzor de presiune conține și un termistor de tipul NTCcare-și modifică rezistența electrică în funcție de temperatura aerului din admisie (la creșterea temperaturii rezistența electrică scade). Prin modificarea rezistenței se modifică tensiunea electrică (echivalentul temperaturii) citită de calculatorul de injecție.

Simptomele motorului în cazul defectării senzorului de presiune aer. Deoarece informația de presiune aer admisie este utilizată direct la calculul masei de combustibil injectate, un defect al senzorului are impact direct asupra performanțelor motorului. Posibilele simptome în cazul unui defect ale senzorului de presiune aer admisie:

– turație de ralanti instabilă

– pierdere din puterea motorului

– oscilații la accelerarea motorului

– aprinderea martorului MIL la bordul automobilului

– stocarea unui cod de eroare în calculatorul de injecție

Fig. 4.9. Schema sistemului de admisie [5]

admisie normală a), admisie forțată b)

Diagnosticarea senzorului de presiune aer admisie. În cazul apariției unui defect de senzor MAP, înainte de a efectua diagnosticarea senzorului și a conexiunilor electrice trebuie efectuate verificări ale sistemului de admisie. În cazul în care există probleme cu etanșarea galerie de admisie, prin pătrunderea de aer fals sau pierderi de presiune (la motoarelor supraalimentate), calculatorul de injecție poate ridica un cod fals de eroare pentru senzorul de presiune.

Diagnosticarea presupune utilizarea unui sistem (pompă, pompă de vacuum) care poate creea plaja de presiuni la care lucrează senzorul. Astfel, se creează diferite presiuni de lucru (minimă, medie și maximă) și se compară, cu ajutorul caracteristicii tensiune-presiune furnizată de producător, presiunea măsurată de senzor.

Fig. 4.10. Schema instalației pentru măsurarea consumului de aer [7]

Fig. 4.11. Variația presiunii în lungul traseului de admisie [6]

CALCULUL SISTEMULUI DE DISTRIBUȚIE AL GAZELOR

5.1. Calculul supapelor

; (5.1)

– diametrul mare al talerului:

– pentru supapa admisie ; (5.2)

– pentru supapa evacuare ; (5.3)

– -diametrul mic al talerului:

– pentru supapa admisie

; (5.4)

– pentru supapa evacuare

; (5.5)

– lungime sediului:

; (5.6)

– raza de racordare a talerului:

; (5.7)

– diametrul tijei supapei:

– pentru supapa admisie ; (5.8)

– pentru supapa evacuare ; (5.9)

– lungimea ambelor supape ; (5.10)

– înălțimea cilindrică a talerului ; (5.11)

– înălțimea totală a talerului ; (5.12)

– înălțimea maximă de ridicare ; (5.13)

Secțiunea oferită de talerul supapei este un trunchi de con, cu aria laterală:

; (5.14)

– unde unghiul este unghiul talerului pe porțiunea de așezare. (450)

După înlocuirea valorilor numerice, obținem:

; (5.15)

Fig. 5.1. Supapa de admisie și supapa de evacuare determinate din calcul de proiectare.

Secțiunea de arie A, pentru canalului de circulare gaze, se determină din relația:

; (5.16)

După înlocuirea valorilor numerice, obținem:

(5.17)

5.2. Presiunea în galeria de admisie

– prin galeria de admisie se stabilește viteza de curgere, pe baza conservării energiei curentului de aer la motoarele MAC.

(5.18)

Prin înlocuirea valorilor numerice, obținem:

; (5.19)

5.3. Presiunea în galeria de evacuare

Această presiune se obține din ecuația lui Bernoulli în secțiunea de intrare la supapa de evacuare:

; (5.20)

unde – este coeficientul global de rezistență al traseului de evacuare, care se obține din totalitatea frecărilor gazelor cu pereții galeriei.

– este viteza medie prin galerie

; [m/s]; (5.21)

După substituție, obținem:

(5.22)

Prin înlocuirea valorilor numerice, obținem:

(5.23)

5.4. Diagrame practice pentru alimentarea motorului MAS

Fig. 5.2. Diagrama de pompaj amestec Fig. 5.3. Variația gradului de umplere

funcție de turația motorului [5] funcție de turația motorului [5]

Fig. 5.4. Variația gradului de umplere Fig. 5.5. Influiența secțiunii litrice asupra

funcție de turația motorului MAC [5] unor parametrii ai admisiei [5]

CALCULUL TERMOGAZODINAMIC AL MOTOTORULUI

Acest calcul s-a realizat folosind softul pentru calcul matematic Mathcad 15 Student version.

Rezultatele sunt prezentate in Anexa nr. 1.

BIBLIOGRAFIE

Apostolescu N., Chiriac R., Procesul arderii în motorul cu ardere internă. București, Editura Tehnică, 1998.

Aramă C., Grünwald B., Motoare cu ardere internă. Procese și caracteristici. București, Editura Tehnică, 1966.

Bățaga N. și alții, Motoare termice. București, Editura Didactică și Peda-gogică, 1979.

Bățaga N.,ș.a., Motoare cu ardere internă. București, Editura Didactică și Pedagogică, 1995.

Bățaga N.,ș.a., Motoare cu ardere internă. Combustibili. Lubrefianți. Materiale speciale pentru autovehicule. Economicitate. Poluare. Cluj-Napoca, Editura U.T. Press, 2000.

Bobescu Ghe. ș.a., Motoare pentru automobile și tractoare. Vol. II, Chisinău, Editura Tehnică, 1998.

Grünwald B., Teoria, calculul și construcția motoarelor pentru autovehicule rutiere. București. Editura Didactică și Pedagogică, 1980.

Abaitancei D. Bobescu Gh., Motoare pentru automobile Bucuresti. Editura Didactica și Pedagogica, 1975.

http://www.e-automobile.ro/categorie-motor/20-general/86-distributie-valvetronic-vanos-bmw.html

http://e-automobile.ro/categorie-diagnoza/56-diagnoza-egr.html

http://www.clubopel.com/viewtopic.php?t=4080&start=20

BIBLIOGRAFIE

Apostolescu N., Chiriac R., Procesul arderii în motorul cu ardere internă. București, Editura Tehnică, 1998.

Aramă C., Grünwald B., Motoare cu ardere internă. Procese și caracteristici. București, Editura Tehnică, 1966.

Bățaga N. și alții, Motoare termice. București, Editura Didactică și Peda-gogică, 1979.

Bățaga N.,ș.a., Motoare cu ardere internă. București, Editura Didactică și Pedagogică, 1995.

Bățaga N.,ș.a., Motoare cu ardere internă. Combustibili. Lubrefianți. Materiale speciale pentru autovehicule. Economicitate. Poluare. Cluj-Napoca, Editura U.T. Press, 2000.

Bobescu Ghe. ș.a., Motoare pentru automobile și tractoare. Vol. II, Chisinău, Editura Tehnică, 1998.

Grünwald B., Teoria, calculul și construcția motoarelor pentru autovehicule rutiere. București. Editura Didactică și Pedagogică, 1980.

Abaitancei D. Bobescu Gh., Motoare pentru automobile Bucuresti. Editura Didactica și Pedagogica, 1975.

http://www.e-automobile.ro/categorie-motor/20-general/86-distributie-valvetronic-vanos-bmw.html

http://e-automobile.ro/categorie-diagnoza/56-diagnoza-egr.html

http://www.clubopel.com/viewtopic.php?t=4080&start=20