Capitolul I. Introducere………………………………………………………………………………….1 1.1. Scurt… [301504]

CUPRINS

Capitolul I. Introducere………………………………………………………………………………….1

1.1. Scurt istoric………………………………………………………………………………………1

1.2. Generalități – Rolul motorului…………………………………………………………….1

1.3. Clasificarea motoarelor termice și tipuri constructive…………………………….1

1.3.1. Clasificarea motoarelor termice dupa tipul de ardere……………………….1

1.3.2. Clasificarea motoarelor termice dupa numarul de timpi……………………1

1.3.3. Clasificarea motoarelor termice dupa felul aprinderii amestecului carburantului……………………………………………………………………………………….1

1.3.4. Clasificarea motoarelor termice dupa asezarea cilindrilor…………………1

1.4. Părțile componente ale motorului………………………………………………………..1

1.4.1. Bujia………………………………………………………………………………………….1

1.4.2. Arbore cu came…………………………………………………………………………..1

1.4.3. Supapa de admisie/evacuare………………………………………………………..1

1.4.4. Galerie de admisie………………………………………………………………………1

1.4.5. Galerie de evacuare……………………………………………………………………..1

1.4.6. Chiulasa……………………………………………………………………………………..1

1.4.7. Blocul motor………………………………………………………………………………1

1.4.8. Arbore cotit………………………………………………………………………………..1

1.4.9. Pistonul si Biela………………………………………………………………………….1

1.5. Intreținerea motorului ………………………………………………………………………1

1.6. Mecatronica motorului cu ardere interna……………………………………………..1

Capitolul II. Calculul dinamic pentru determinarea performanțelor autovehiculului …………………………………………………………………………………………….1

2.1. Adoptarea dimensiunilor constructive………………………………………………….1

2.2. Poziția centrului de greutate și încărcarea pe punți………………………………..1

2.3. Adoptarea pneurilor și ai parametrilor constructivi ai transmisiei……………1

2.4. Calculul caracteristicii externe a motorului…………………………………………..1

2.5. Determinarea analitică a caracteristicii externe a motorului……………………1

2.6. Determinarea vitezei maxime a autovehicului……………………………………….1

Capitolul III. Calculul termic al motorului………………………………………………………..1

3.1. Alegerea parametrilor initiali de calcul………………………………………………..1

3.2. Calculul procesului de admisie……………………………………………………………1

3.3. Calculul procesului de comprimare……………………………………………………..1

3.4. Calculul procedeului de ardere izocora………………………………………………..1

3.5. Calculul procesului de ardere izobara…………………………………………………..1

3.6. Calculul procesului de destindere………………………………………………………..1

3.7. Determinarea parametrilor indicati, efectivi si constructivi…………………….1

3.8. Cinematica pistonului………………………………………………………………………..1

3.9. Calculul dinamic al mecanismului bielă-manivelă…………………………………1

Capitolul IV. Calculul organologic al motorului termic……………………………………..1

4.1. Construcția și calcului pistonului…………………………………………………………1

4.2. Calculul și construcția bolțului……………………………………………………………1

4.3. Construcția și calculul segmenților………………………………………………………1

4.4. Construcția si calculul cămașii cilindrului…………………………………………….1

4.5. Construcția și calculul bielei……………………………………………………………….1

4.6. Construcția și calculul arborelui cotit…………………………………………………..1

4.7. Calculul forței ce acționează în bielă……………………………..………..1

BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………………………..1

1.Capitolul I. Introducere

1.1.Scurt istoric

În 1769, francezul Nicolas-Joseph Cugnot realizează un vehicul cu trei roți propulsat prin forța aburului. În 1801, englezul Richard Trevithick realizează un fel de locomotivă, numită Puffing Devil, dar care putea circula și pe drumurile rutiere.

Contribuții de pionierat în domeniul motoarelor cu ardere internă au adus: Nicéphore Niépce, François Isaac de Rivaz, Gustave Trouvé și alții. Însă inventatorul automobilului în accepția modernă este considerat Karl Benz. În 1878, acesta proiectează un nou tip de motor cu ardere internă, mult îmbunătățit și care va fi patentat un an mai târziu.

Automobilul, sau mai familiar mașina, este un vehicul cu patru (rar, trei, șase) roți, acționat de un motor cu ardere internă, cuabur, cu electricitate sau aer comprimat. Are scaune pentru conducător și pentru cel puțin un pasager.

Automobilele sunt de obicei construite pentru a călători pe drumuri, dar există unele, mai ales vehicule utilitare, care permit călătorii în afara drumurilor – (off-road). Drumurile și autostrăzile sunt folosite în comun cu alte vehicule, cum suntmotocicletele și tractoarele.

Un automobil tipic are un motor cu ardere internă și patru roți, însă au apărut pe piață și mașini cu motoare hibride, cu gaz sau electrice. Au fost construite și autovehicule cu trei roți, dar nu sunt prea răspândite din cauza problemelor de stabilitate.

În anul 2007 în lume existau aproape 800 de milioane de mașini în circulație (majoritatea în emisfera nordică) iar 42 de milioane de mașini noi erau produse în fiecare an. În anul 2050 se aproximează că vor exista 4 miliarde de automobile la nivel mondial.

În anul 2010, numărul mașinilor înscrise în circulație la nivel global – autoturisme, utilitare, camioane, autobuze – a depășit, pentru prima dată în istorie, pragul de un miliard, ajungând la 1,015 miliarde. Cele mai multe dintre acestea erau înregistrate în Statele Unite ale Americii – 239,8 milioane de unități. Pe locul doi se afla China, cu 73,9 milioane de unități.

Părțile principale ale oricărui automobil sunt motorul, șasiul, caroseria și partea electrică.

Motorul este sistemul fizic de generare a energiei mecanice care pune în mișcare sistemul de transmisie al automobilului. Un motor este compus din două părți: mecanismul motor și instalațiile auxiliare.

Șasiul automobilului este ansamblul organelor și instalațiilor care efectuează preluarea și transmiterea energiei mecanice de la motor la roțile motoare, conducerea automobilului, susținerea și propulsia lui. Se compune din transmisie, sistemul de conducere, organele de susținere, organele de propulsie și instalațiile auxiliare.

Caroseria este partea principală a automobilului care are rolul de purtător al persoanelor sau mărfurilor sau instalațiilor montate pe automobil, asigurând izolarea și autonomia încărcăturii față de restul automobilului și de mediul înconjurător.

Automobilele se clasifică după următoarele criterii principale:

destinație (transport persoane,marfa);

particularitați constructive (tipul motorului, tipul transmisiei, tipul propulsiei);

numărul punților

capacitate de trecere.

1.2 Generalități – Rolul motorului

Motorul este sistemul fizic de generare a energiei mecanice care pune în mișcare sistemul de transmisie al automobilului. Un motor este compus din două părți: mecanismul motor și instalațiile auxiliare.

Un motor termic este o mașină termică motoare, care transformă căldura în lucru mecanic.

Un motor termic lucrează pe baza unui ciclu termodinamic realizat cu ajutorul unui fluid.

Întrucât, conform principiului al doilea al termodinamicii, entropia unui sistem nu poate decât să crească, doar o parte a căldurii preluate de la sursa de căldură (numită și sursa caldă) este transformată în lucru mecanic. Restul de căldură este transferat unui sistem cu temperatură mai mică, numit sursă rece.

1.3. Clasificarea motoarelor termice și tipuri constructive

Se poate face clasificarea cutiilor de viteze în funcție de diferiți parametri, care au în vedere atât particularitățile constructive cât și cele funcționale.

1.3.1. Clasificarea motoarelor termice dupa tipul de ardere

Motor cu ardere externă, este o mașină termică motoare în care energia internă a agentului termic, încălzit în prealabil într-un generator extern (generator de abur, cameră de combustie) sau de o sursă externă prin peretele motorului sau printr-un schimbător de căldură, este transformată în lucru mecanic.

motor cu abur – este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică a aburului în lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs într-un generator de abur prin fierbere și se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mișcare care de cele mai multe ori este transformată în mișcare de rotație cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se obține din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.

turbină cu abur – este o mașină termică rotativă motoare, care transformă entalpia aburului în energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar.

motor Stirling – definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de mașini. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spațiu închis numit sistem termodinamic, pe când la mașinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă și anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care mărește semnificativ randamentul potențial al motorului Stirling. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea aparțin categoriei mașinilor cu piston alternativ. În mod obișnuit, motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci și energia solară sau energia nucleară.

1 – peretele fierbinte al cilindrului

2 – peretele rece al cilindrului

3 – racorduri de răcire

4 – izolație termică

5 – piston de refulare

6 – piston de presiune

7 – volanți

Motor cu ardere internă, este motorul care transformă energia chimică a combustibilului prin intermediul energiei termice de ardere, în interiorul motorului, în energie mecanică. Căldura degajată în camera de ardere se transformă prin intermediul presiunii (energiei potențiale) aplicate pistonului în mișcare mecanică ciclică, de obicei[1] rectilinie, după care în mișcare de rotație uniformă, obținută de obicei[1] la arborele cotit. Camera de ardere este un reactor chimic unde are loc reacția chimică de ardere.

motor cu ardere internă cu piston

Motoare cu formarea în exteriorul cilindrului a amestecului carburant. Este cazul motoarelor cu carburator, injecție de benzină în conducta de aspirație și al motoarelor cu gaze cu instalație de formare externă a amestecului aer-combustibil.

Motoare cu formarea în cilindru a amestecului carburant. Din această categorie fac parte motoarele cu injecție de combustibil cum sunt motoarele Diesel sau și unele motoare cu aprindere prin scânteie și motoarele cu gaze la care combustibilul gazos este introdus în cilindru printr-o supapă aparte în timpul aspirației.

motor Wankel – este un tip de motor cu ardere internă inventat de inginerul german Felix Wankel, la care mișcarea de rotație se obține nu printr-un mecanism bielă-manivelă, ci cu ajutorul unui piston rotativ de formă triunghiulară. În comparație cu motorul cu ardere internă cu piston, avantajele motorului Wankel sunt compactitatea și vibrațiile mai reduse. Dezavantajele acestui motor sunt randamentul mai mic[necesită citare], ceea ce duce la un consum de combustibil mai mare pentru aceeași putere furnizată, emisia sporită de poluați, ceea ce duce la necesitatea instalațiilor de denoxare mai complexe și uzinarea și întreținerea pretențioase, deci mai scumpe.

turbină cu gaze – este o turbină termică, care utilizează căderea de entalpie a unui gaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în jurul unui ax o cantitate de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei.[1][2] Turbina cu gaze mai este cunoscută și sub denumirea de instalație de turbină cu gaze (ITG).

1.3.2. Clasificarea motoarelor termice dupa numarul de timpi

Numărul de curse simple efectuate de piston într-un ciclu ( sau numărul de timpi) pot fii:

motoare în patru timpi – este un tip de motor cu ardere internă al cărui piston face 4 curse simple într-un ciclu motor. Pistonul se mișcă într-un cilindru închis la un capăt de chiulasă. Mișcarea pistonului este asigurată de un mecanism bielă-arbore cotit și are loc între două poziții extreme: punctul mort interior și punctul mort exterior. În punctul mort interior PMI, pistonul este în interiorul cilindrului și volumul acestuia este minim. La punctul mort exterior PME, pistonul se găsește la cealaltă extremitate în raport cu PMI și volumul acestuia este maxim. Un ciclu motor are loc de-a lungul a două rotații ale arborelui cotit și cuprinde patru faze, numerotate în figura alăturată cu:

motoare în doi timpi – funcționează pe baza unui ciclu care se desfășoară numai în decursul unei rotații a arborelui cotit (ciclu în doi timpi). Ciclul motor are loc numai într-o singură rotație a arborelui cotit, o fracțiune din cursa pistonului fiind suficientă pentru baleiajul cilindrului (schimbarea încărcăturii acestuia). Cursa pistonului este doar parțial folosită la comprimare și destindere.

1.3.3. Clasificarea motoarelor termice dupa felul aprinderii amestecului carburantului

La motoarele cu ardere interna exista 2 tipuri de motoare dupa felul aprinderii combustibilului m.a.s. si m.a.c.

Motor cu aprindere prin scânteie (prescurtat MAS). După admisia și comprimarea amestecului carburant în cilindrii motorului, în apropierea PMI(punctul mort interior) al pistonului, are loc aprinderea. Aceasta se realizează prin producerea unei scântei între electrozii bujiei, care aprinde amestecul carburant. Arderea are loc într-un interval de timp relativ scurt, în care presiunea și temperatura gazelor din cilindru cresc repede până la presiunea de 30 – 40 daN/cm³ și temperatura de 1800 – 2.000 °C. Datorită presiunii gazelor din cilindru, care acționează asupra pistonului, acesta se deplasează spre PME (punctul mort exterior), și rotește prin intermediul sistemului biela-manivela, arborele motor. Această cursă a pistonului, se mai numește și cursă activă sau cursă motoare.

Motor cu aprindere prin comprimare (prescurtat MAC sau Diesel). La sfârșitul compresiei, combustibilul este introdus sub presiune în cilindru, fiind pulverizat foarte fin cu ajutorul injectorului, montat în chiulasă. Datorită contactului cu aerul fierbinte din interiorul cilindrului, particulele pulverizate se aprind și ard, iar presiunea din cilindru crește, moderat, menținându-se relativ constantă pe durata arderii. Gazele rezultate în urma arderii apasă asupra pistonului, determinând deplasarea acestuia spre PMI, efectuând cursa activă. Supapele rămân închise până aproape de sfârșitul acestei curse.

1.3.3.1. Avantajele și dezavantajele motorului diesel față de cel cu aprindere prin scânteie

Emisiile poluante ale motoarelor cu ardere internă

Legislația privind emisiile poluante

Cunoașterea efectelor nocive ale emisiilor poluante emise de motoarele cu ardere internă a impus limitarea lor treptată. Această acțiune a început în anul 1959 în statul american California când s-au stabilit primele standarde de reducere a emisiilor poluante pentru concentrațiile de CO și hidrocarburi. Acțiunea a continuat și în anii următori cu emisiile de evaporare din carburator și rezervorul de combustibil, apoi densitatea fumului și așa mai departe pentru toate gazele ce fac parte din emisiile poluante.

Nocivitatea emisiilor

HC – hidrocarburi. Aceste substanțe nu au un efect direct asupra sănătății, cu excepția hidrocarburilor policiclice aromate, despre care este stabilit caracterul lor cancerigen. S-a stabilit că aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de motoarele cu ardere internă au un rol important în formarea smogului fotochimic. Smogul fotochimic reprezintă o ceață, caracteristică unor regiuni geografice (California, Tokyo). Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine engleză smoke + fog și este produs în atmosferă sub acțiunea razelor solare, în special datorită hidrocarburilor și oxizilor de azot. Smogul este iritant pentru ochi și mucoase, reduce mult vizibilitatea și este un pericol pentru traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacții chimice catalizate de prezența razelor solare. Aldehidele Substanțe organice prezente în gazele de evacuare în proporție relativ scăzută pentru combustibili clasici de natură petrolieră, dar cu o pondere mult mai mare pentru combustibilii proveniți din alcooli. Sunt substanțe iritante pentru organism, iar dintre acestea formaldehida are un important potențial cancerigen. CO (oxidul de carbon) – are unefect toxic generat de fixarea hemoglobinei în sânge prin care se împiedică alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influență o are la persoanele cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecvență mult mai mare.

Oxizii de azot NO și NO2 Oxizii de azot au efecte dăunătoare prin contribuția adusă la formarea smogului, precum și prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea hemoglobinei și prin efecte mai ales la bolnavii pulmonari. De asenenea, oxizii de azot împreună cu oxizii de sulf contribuie la formarea ploilor acide. Particulele nemetalice Aceste particule, în special cele de funingine, sunt emise mai ales de motoarele diesel. Aceste particule pot fi inhalate în plămâni, unele din ele putând avea și efect cancerigen. Efectul particulelor se poate manifesta și asupra clădirilor. Particulele de plumb Acțiunea plumbului este foarte dăunătoare asupra omului și este bine cunoscută încă din antichitate. Concentrații scăzute de plumb provoacă tulburarea albuminelor și glucidelor, atacă rinichii și sistemele nervos și central. Intoxicația cronică de Pb se numește saturnism și provoacă colită, insuficiență renală,etc. Plumbul se găsește în combustibilii etilați pentru motoarele cu aprindere prin scânteie. Bioxidul de carbon este prezent în aerul atmosferic, iar la concentrații de până la 3-4 la mie este util în procesul de fotosinteză. Aspectul îngrijorător al creșterii concentrației de bioxid de carbon este dat de apariția efectului de seră (reducerea cantității de energie radiate de pământ către spațiul cosmic, datotorită reținerii căldurii în unele gaze). Acest efect de seră poate conduce la creșterea temperaturii medii la nivelul solului, iar motoarele cu ardere internă au o mare pondere în creșterea concentrației de dioxid de carbon.

Măsurarea produșilor poluanți

La motoarele cu ardere internă măsurarea produșilor poluanți se poate face în mai multe moduri:

Concentrația gazelor poluante în gazele de evacuare (exprimat în părți pe milion ppm sau procentual)

Concentrația de emisie poluantă a unui motor care echipează un autovehicul raportat la unitatea de distanță parcursă (g/km sau g-milă) pentru a determina mai exact efectul produs de autovehicolul respectiv.

Pentru motoarele diesel staționare de putere mare se poate utiliza o unitate de măsură raportată la energia produsă (g/(CPh) sau g/(kWh))

Legătura care există între cantitatea de emisii evacuată în atmosferă și regimul de funcționare al motorului a impus elaborarea unor norme de definire a ciclurilor funcționale considerate reprezentative pentru condițiile obișnuite de funcționare. De asemenea sunt standardizate tehnica de măsurare experimentală, metodele de prelevare a probelor de gaz și prelucrarea rezultatelor.

Putere și moment cinetic

Pentru uzul comercial, cum ar fi tractarea, transportul mărfurilor grele sau a altor sarcini care necesita cuplu mare, motoarele diesel au un cuplu mai mare decât cele pe benzină echivalente. Motoarele diesel au, de obicei plaja de cuplu între 1600-2000 de RPM pentru o un motor de capacitate mică( și mai joasă pentru un motor mare, cum ar fi unul de camion). Acesta furnizează un control mai bun pentru încărcăturile mai grele, la demaraj, astfel în mod crucial, dă voie motoarelor diesel să suporte încărcături mai grele la plecare decât un motor pe benzină, iar asta îl face mai economic pentru astfel de sarcini. Această caracteristică nu este dorită la mașini private, astfel, motoarele diesel folosite în mașinile moderne folosesc control electronic, turbine cu geometrie variabile și bătăi mai scurte ale cilindrilor pentru a avea plaje de cuplu mai largi, de obicei atingând cuplul motor cel mai mare, între 2500-3000 de RPM. Deși motoarele diesel au mai mult cuplu motor la turație mai mică de cât cele pe benzină, motoarele diesel aspirate au mai puțini cai-putere de cât echivalentul lor pe benzină. Această plajă de cuplu motor îngustă, este motivul pentru care camioanele au transmisii de aproximativ 18 viteze, pentru a putea valorifica cuplul motor cât mai bine. Turbinele îmbunătățesc cuplu la turații înalte, în timp ce compresoarele mecanice ajută la îmbunătățirea performanțelor motorului la turații joase. Turbina cu geometrie variabilă îmbunătățește cuplul motor pe întreagă plajă de cuplu, fie la turație mică sau mare.

Flamabilitatea combustibilului

Motorina are o flamabilitate scăzută, cauzând un risc minor de incendiu datorat unui vehicul care este echipat cu un motor diesel. Pe iahturi, motorul diesel este folosit, pentru că cele pe benzină generează vapori ușori inflamabili, care se pot acumula în partea de jos a navei, încât, câteodată cauzează explozii la bordul lor.Astfel sistemele de ventilare pentru navele care au motoare pe benzină, sunt necesare. Armata Statelor Unite ale Americi și NATO folosesc numai motoare diesel sau pe turbine pe gaze pentru a limita pericolul de incendiu. Deși nici benzina, nici motorina nu sunt explozive în stare lichidă, ambele pot crea un amestec de vapori și aer explosiv, sub condițiile corecte. Astfel, motorina este mai puțin susceptibilă în a crea aceste amestecuri explozibile, din cauza ratei de emanare a vaporilor, care este o indicare a ratei evaporării. Tancurile armatei americane din timpul celui de al 2-lea război mondial, dotate cu motoare pe benzină erau poreclite Ronson (firmă producătoare de brichete), din cauza probabilității de a exploda mai ușor, atunci când erau lovite de inamic (deși atunci când erau lovite, incendiile de tancuri erau cauzate mai de grabă de exploziile munițiilor, decât de cele de combustibili).

1.3.3.2. Injectia carburantului si tipurile de injectie

Injecția controlată mecanic și electronic

Motoarele din vechile generații utilizau o pompă mecanică și un mecanism cu supape antrenate de arborele cotit, de obicei prin intermediul unui lanț sau curea dințată. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supapă și arc, care se deschideau/închideau la o anumită presiune a combustibilului. Pompa consta dintr-un cilindru care comprima motorina și o supapă sub formă de disc care se rotea la jumătate din turația arborelui cotit. Supapa avea o singură deschidere pe o parte, pentru combustibilul sub presiune și o alta pentru fiecare injector. Pe măsură ce se rotea, discul supapei distribuia fiecărui injector o cantitate precisă de combustibil la mare presiune. Supapa injectorului era acționată de presiunea motorinei injectate atât timp cât discul debita combustibil cilindrului respectiv. Regimul motorului era controlat de un al treilea disc care se rotea doar câteva grade și era acționat de o pârghie. Acest disc controla deschiderea prin care trecea combustibilul, dozînd astfel cantitatea de motorină injectată.

Vechile motoare diesel puteau fi pornite, din greșeală, și în sens invers, deși funcționau ineficient datorită ordinii de aprindere dereglate. Aceasta era de obicei consecința pornirii mașinii într-o treaptă de viteză greșită.

Motoarele moderne au o pompă de injecție care asigură presiunea necesară injecției. Fiecare injector este acționat electromagnetic prin intermediul unei unități centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injecției în funcție de turație și sarcină, având ca rezultat performanțe mărite și un consum scăzut. Soluția tehnică mai simplă a ansamblului pompă-injector a condus la construcția de motoare mai fiabile și mai silențioase.

Injecția indirectă

În cazul motorului diesel cu injecție indirectă, motorina nu este injectată direct în camera de ardere, ci într-o antecameră unde arderea este inițiată și se extinde apoi în camera de ardere principală, antrenată de turbulența creată. Sistemul permite o funcționare liniștită, și, deoarece arderea este favorizată de turbulență, presiunea de injecție poate fi mai scăzută, deci sunt permise viteze de rotație mari (până la 4000 rpm), mult mai potrivite autoturismelor. Antecamera avea dezavantajul pierderilor mari de căldură, ce trebuiau suportate de către sistemul de răcire și a unei eficiențe scăzute a arderii, cu până la 5-10% mai scăzută față de motoarele cu injecție directă. Aproape toate motoarele trebuiau să aibă un sistem de pornire la rece, ca de exemplu bujii incandescente. Motoarele cu injecție indirectă au fost folosite pe scară mare în industria auto și navală începând din anii timpurii 1950 până în anii 1980, când injecția directă a progresat semnificativ. Motoarele cu injecție indirectă sunt mai ieftine și mai ușor de construit pentru domeniile de activitate unde emisiile poluante nu sunt o prioritate. Chiar și în cazul noilor sisteme de injecție controlate electronic, motoarele cu injecție indirectă sunt încet înlocuite de cele dotate cu injecție directă, care sunt mult mai eficiente.

În perioada de dezvoltare a motoarelor diesel din anii 1930, diferiți constructori au pus la punct propriile tipuri de antecamere de ardere. Unii constructori, precum Mercedes-Benz, aveau forme complexe. Alții, precum Lanova, utilizau un sistem mecanic de modificare a formei antecamerei, în funcție de condițiile de funcționare. Însă, cea mai folosită metodă a fost cea în formă de spirală, concepută de Harry Ricardo ce folosea un design special pentru a crea turbulențe. Majoritatea producătorilor europeni au folosit acest tip de antecamere sau și-au dezvoltat propriile modele (Mercedes Benz și-a menținut propriul design mulți ani).

Injecția directă

Motoarele moderne folosesc una din următoarele metode de injecție directă.

Injecția directă cu pompă-distribuitor

Primele motoare diesel cu injecție directă au folosit o pompă de injecție rotativă, cu injectoarele montate în partea superioara a camerei de ardere și nu într-o antecameră. Exemple de vehicule dotate cu astfel de motoare sunt Ford Transit sau Rover Maestro, având ambele motoare fabricate de Perkins. Problema acestor motoare era zgomotul excesiv și emisiile de fum. Din această cauză aceste motoare au fost la început montate doar pe vehicule comerciale – excepția notabilă fiind autoturismul Fiat Croma. Consumul era cu 15 – 20 % mai scăzut decât la un motor diesel cu injecție indirectă, îndeajuns să compenseze, pentru unii, zgomotul produs.

Primul motor cu injecție directă de mică capacitate, produs în serie a fost conceput de grupul Rover. Motorul cu 4 cilindri, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din 1989, având chiulasa din aluminiu, injecție Bosch în 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire ușoară și un mers lin și economic.

Controlul electronic al pompei de injecție a transformat radical acest tip de motor. Pionierul a fost grupul Volkswagen-Audi cu modelul Audi 100 TDI apărut în 1989. Presiunea de injecție era de circa 300 bar, dar momentul injecției, cantitatea de motorină injectată și turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot și emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat și la vehiculele de masă precum Golf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice și mai puternice decât competitorii pe injecție indirectă.

Injecția directă cu rampă comună (common rail)

La vechile motoare diesel o pompă-distribuitor asigura presiunea necesară la injectoare care erau simple duze prin care motorina era pulverizată în camera de ardere.

La sistemele cu rampă comună, distribuitorul este eliminat. O pompă de înaltă presiune menține motorina la o presiune constantă de 1800 bari într-o rampă comună, o conductă unică care alimenteză fiecare injector comandat electromagnetic de mare precizie sau chiar injectoare piezoelectrice (utilizate de Mercedes la motorul diesel cu 6 cilindri în V de 3 L).

Majoritatea constructorilor europeni au în gama lor modele echipate cu motoare diesel common rail, chiar și la vehiculele comerciale. Unii constructori japonezi, precum Toyota, Nissan și, mai recent, Honda, au dezvoltat și ei motoare diesel cu rampă comună.

Diferiți constructori de automobile au denumiri diferite pentru motoarele lor diesel cu rampă comună. Spre exemplu: CDI la DaimlerChrysler, TDCi la Ford, JTD la grupul Fiat, dCi la Renault, CDTi la Opel, CRDi la Hyunday, DI-D la Mitsubishi, HDI la grupul PSA, D-4D la Toyota.

Injecția directă cu pompă-injector

Acest tip de sistem injectează, de asemenea, motorina direct în cilindru. Injectorul și pompa formează un corp comun plasat în capătul cilindrului. Fiecare cilindru are propria pompă care alimentează injectorul propriu, fapt ce exclude fluctuațiile de presiune și asigură o injecție consistentă. Acest tip de injecție, dezvoltat de Bosch, este folosit de către autoturismele grupului Volkswagen AG – denumit sistemul pompă-injector – și de către Mercedes Benz și majoritatea fabricanților de motoare diesel mari (CAT, Cummins, Detroit Diesel). Ultimele realizări asigură o presiune de injecție crescută, de până la 2050 bar.

1.3.4. Clasificarea motoarelor termice dupa asezarea cilindrilor

După așezarea cilindrilor in blocul motor pot fi:

motoare cu cilindrii în linie.

motoare cu cilindrii în V.

motoare cu cilindrii în W.

motoare cu cilindrii și pistoanele opuse, boxer.

motoare înclinate, la care cilindrii au axele situate în același plan, însă înclinat față de planul vertical.

motoare cu cilindrii așezati în stea, utilizate cu precădere unde este nevoie de un raport putere/greutate mare, de exemplu în aviație și în marina militară (vedete).

motoare cu cilindrii în „Δ” Delta, Napier Deltic-motoarefolosite la căile ferate și vapoare englezești.

1.4. Părțile componente ale cutiei de viteze

Elementele componente ale motorului

bujie (în cazul unui motor diesel locul bujiei este luat de injector)

arbore cu came

supapa de admisie

galerie de admisie

chiulasă

blocul motor

arbore cotit

bielă

piston

bolț

segmenți

galerie de evacuare

supapa de evacuare

arbore cu came

Pentru a înțelege mai bine amplasarea pistoanelor în raport cu arborele cotit în figura de mai jos se face reprezentarea spațială a unui motor cu patru cilindrii în linie și patru supape pe cilindru.

arbore cotit

bielă

piston

supapă

roți de antrenare arbori cu came

arbore cu came

tacheți

1.4.1. Bujia

La motoarele cu ardere interna se folosesc 2 tipuri de bujii:

Bujii de aprindere (motoare pe benzină)

La motoarele pe benzină arderea amestecului aer-carburant este inițiată de o sursă externă. Sursa aprinderii amestecului este generată de bujie. Aceasta produce o scânteie care aprinde amestecul aer-combustibil din camera de ardere. Poziționarea bujiei în camera de ardere trebuie optimizată astfel încât să faciliteze aprinderea amestecului aer-combustibil.

Aprinderea în motoarele pe benzină este electrică. La pornirea motorului, energia electrică este furnizată de bateria de acumulatori iar în timpul funcționării motorului de alternator. Tensiunea electrică de la baterie este multiplicată de bobinele de inducție care, mai departe alimentează bujiile.

La motoarele moderne calculatorul de injecție controlează generarea periodică a scânteii pentru fiecare cilindru (bujie) în parte. Energia electrică conținută în scânteie conduce la inițierea arderii amestecului aer-carburant.

Bujia este fabricată din materiale metalice, ceramice și sticlă. Părțile principale ale bujiei sunt: terminalul (conectorul), izolatorul ceramic și electrozii. Bujia se fixează în chiulasa motorului prin înfiletare. Electrozii pătrund în camera de ardere iar terminalul este cuplat la bobinele de inducție.

Buna funcționare a bujiei are un impact decisiv asupra performanțelor motorului. Bujia trebuie să asigure, pe o durată de utilizare cât mai mare, următoarele:

pornire la rece facilă

aprindere la fiecare ciclu motor (pentru evitarea rateurilor de combustie)

funcționare în condiții de temperatură și presiune extreme

În timpul duratei de viață a bujiei electrozii se uzează datorită:

eroziunii, cauzată de scânteie

coroziunii, cauzată de solicitările termice și chimice

Bujii incandescente (de pre-încălzire)

Auto-aprinderea amestecului aer-combustibil a unui motor diesel necesită temperaturi mari în cilindru la sfârșitul comprimării. Dacă motorul este rece pornirea devine dificilă. Frecările interne mari, pierderea de compresie sunt mai pronunțate la temperaturi scăzute. Din aceste motive motoarele diesel au nevoie de sisteme auxiliare de încălzire a amestecului aer-combustibil pentru pornirea la rece.

Asistarea pornirii la rece a unui motor diesel se face cu ajutorul unei bujii de pre-încălzire numită și bujie incandescentă. La temperaturi scăzute bujia este alimentată cu curent electric și degajă căldură în cilindru pentru a facilita pornirea motorului.

Aceste bujii sunt capabile să atingă temperaturi foarte înalte într-un timp relativ scurt, 850 °C în aproximativ 4 secunde. Bujiile sunt alimentate de la bateria automobilului și convertesc energia electrică în energie termică prin intermediul unei rezistențe electrice.

Rezistența electrică este compusă din două rezistoare legate în serie cu caracteristici diferite. Rezistorul din capul tubului incandescent este proiectat astfel încât să se încălzească foarte repede și să concentreze o mare parte din energia termică degajată. Tubul incandescent trebuie să fie rezistent la coroziune cât și la temperaturile extreme din camera de ardere.

1.4.2 Arbore cu came

Arborele cu came este organul mecanismului de distribuție care comandă deschiderea supapelor din poziția închisă, până la deschiderea maximă. De asemenea controlează așezarea supapei pe sediu în faza de închidere. Arborele cu came, în funcție de tipul sistemului de distribuție, este amplast în blocul motor sau în chiulasă, paralel cu arborele cotit.

Arborele cu came este o piesă unitară, cu geometrie complexă, ce conține came de admisie și de evacuare. Decalajul unghiulare între came depinde de ordinea de aprinderea a cilindrilor. La motoarele cu 4 supape pe cilindru, DOHC, sunt doi arbori cu came, unul pentru supapele de admisie iar cel de-al doilea pentru supapele de evacuare.

În timpul funcționării motorului, în timpul deschiderii supapelor, se trasmit forțe care solicită arborele cu came la încovoiere. Solicitarea de înconvoiere poate provoca dezaxarea arborelui cu came în raport cu supapele, ceea ce produce defecțiuni grave ale sistemului de distribuție.

Pentru a asigura rigiditatea arborelui cu came acesta se sprijină pe chiulasă (sau pe blocul motor) prin intermediul unor fusuri. În locașurile fiecărui fus sunt prevăzute orificii prin care este adus uleiul sub presiune din sistemul de ungere.

Arborele cu came este antrenat de arborele cotit prin intermediul unei curele dințate sau a unui lanț metalic. Este deosebit de important ca mișcarea arborelui cu came să fie sincronizată cu cea a arborelui cotit pentru a deschide supapele la momentul corect, în funcție de poziția pistonului din cilindru.

fus

camă

roată dințată

1.4.3. Supapa de admisie/evacuare

O supapă este un organ al motorului, care deschide și închide orificiile canalelor gazelor spre sau din cilindru motor. Supapele sunt folosite la aproape toate motoarele cu ardere internă în patru timpi cu puține excepții, cum ar fi: motorul cu clapă (obturator).

Deschiderea supapei se face prin apăsarea în partea de sus al tijei acesteia. Închiderea se face prin apăsarea puterii arcului pe supapă, care este transmisă de arc pe talerul pentru fixarea arcului, fixat prin siguranțe pe tijă supapei.

Pentru că supapa se deschide spre camera de ardere al motorului, efectul de închidere al acesteia crește prin presiunea combustiei.

Supapa este construită cu mare precizie din oțeluri aliate de înaltă calitate, rezistente la temperaturi ridicate, cît mai ușoare și care trebuie să reziste la forțe cît mai ridicate. De aceea la motoarele cu rotații mari, se folosesc aliaje de oțel dur de calitate, acoperite cu anticorozive de titan, wolfram, crom, etc.. Pentru motoarele cu solicitări termice mai mari, supapele pot fi executate cu cavități în tijă, umplute de exemplu cu sodiu, care are punctul de topire scăzut, pentru a transporta căldură de la taler la tijă. Deasemenea și scaunul supapei, este executat din materiale din aliaje dure.

Supapa, este format din talerul, care are rolul de a închide orificiul de admisie sau de evacuare în chiulasă cu partea tronconică al acestuia și care la suprafața de etanșare are unghiuri diferite (30° – 45°). Această parte tronconică se așază pe scaunul supapei în chiulasă. Talerul supapei are o formă parabolică spre tija supapei pentru a permite gazelor să treacă cu minimă rezistență pe lîngă aceasta. Talerul poate fi după felul supapei de mai multe forme spre exteriorul său: cu taler plan, taler concav, taler convex.

Tija supapei, are o formă de cilindru lung și subțire și este fix legată de taler. Aceasta are rolul de ghidare a mișcării supapei, culisând cu frecare ușoară, într-un locaș numit ghidul supapei, realizând astfel mișcarea axială în locașul său.

Talerul supapei de admisie are de obicei un diametru mai mare decât cel al supapei de evacuare, pentru că, în acest fel randamentul combustiei este mai mare.

1. arbore cu came

2. tachet hidraulic

3. arcul supapei

4. tija supapei

5. canal de gaze

6. talerul supapei

7. camera de ardere

1.4.4. Galerie de admisie

Galerie Admisie – parte a Sistemului de Alimentare care are rolul de a distribui in mod egal amestecul aer – combustibil catre cilindri (sau numai aer in cazul motoarelor cu injectie directa).

Mai poate servi ca suport pentru carburator, injectoare de combustibil, etc.

Constructiv, galeria de admisie este formata dintr-un labirint de tevi de diverse diametre care sunt turnate sau imbinate impreuna in asa fel incat contururile volumului interior prezinta treceri netede si foarte bine prelucrate pentru a nu produce diferente de presiune intre diversele volume interioare.

Datorita miscarii cilindrilor si a coordonarii cu supapele, in interiorul galerie de admisie in timpul functionarii motorului este vacuum sau presiune negativa. Acest vacuum este substantial si este folosit de catre alte sisteme ale automobilului cum ar fi: aprinderea, mecanismele de servo etc.

1.4.5. Galerie de evacuare

Galerie evacuare – element component al Sistemului de Evacuare cu rolul de colectare si transmitere a gazelor arse sub presiune catre colectorul de gaze.

Popular se mai numeste Saxofon datorita formei sale. Odata cu gazele arse se disipa pe traseu si caldura inmagazinata in acestea, de aceea, in timpul functionarii motorului zona galeriei de evacuare are o temperatura foarte inalta.

Galeriile de evacuare au un rol important in echilibrarea presiunilor si in scaderea rezistentei la inaintarea gazelor de esapament, forma, constructia interioara si etanseitatea galeriei de evacuare purtand un rol important in randamentul motor.

Pe galeria de evacuare se monteza sistemele turbo care folosesc presiunea gazelor de esapament pentru a invarti turbina.

1.4.6. Chiulasă

Chiulasa este o piesă statică a motorului cu ardere internă, care, împreună cu blocul motor și pistonul, formează camera de ardere. Geometria chiulasei este extrem de complexă datorită rolului multi-funcțional al acesteia. Chiulasa conține o parte a sistemului de distribuție (supape, arcuri de supapă, arbori cu came, culbutori și tacheți), bujiile de aprindere și cele incandescente și injectoarele (pentru motoarele cu injecție directă).

Datorita rolului funcțional, chiulasa este supusa unor solicitări mecanice și termice intense. Acesta trebuie să reziste forței de presiune a gazelor și a forței de strângere a șuruburilor. Chiulasa este supusă unor tensiuni termice importante datorită inegalității distribuției termice în corpul acesteia. Pentru a răspunde tuturor cerințelor din timpul funcționării motorului, chiulasa trebuie să îndeplinească o serie de cerințe:

rigiditate mecanică ridicată

rezistență termică ridicată

etanșeitate față de lichidul de răcire, gaze de admisie și evacuare, ulei de lubrifiere

distribuirea cât mai uniformă a temperaturii

realizarea formei optime a camerei de ardere

masă redusă

găuri de trecere a șuruburilor de fixare

canale de curgere a lichidului de răcire

orificiu pentru bujie

suprafață a camerei de ardere

supapă de admisie

supapă de evacuare

suprafață de contact cu garnitura de chiulasă

orificiu de curgere a gazelor de evacuare

orificiu de curgere a gazelor de admisie

șurub de fixare a galeriei de evacuare

Prin intermediul orificiilor (1) chiulasa se fixează de blocul motor. Cuplul de strângere al șuruburilor precum și ordinea de strângere a acestora este deosebit de importantă pentru a nu produce tensiuni mecanice care pot conduce la fisuri ale chiulasei.

Canalele de curgere ale lichidului de răcire (2) trebuie să asigure o răcire eficientă a chiulasei, mai ales în zona supapelor de evacuare, unde temperatura atinge valori maxime. Așezarea supapelor în chiulasă depinde de numărul de cilindri și de ordinea de aprindere a acestora. La proiectarea motorului este de preferat ca supapele de evacuare să nu fie lângă peretele despărțitor a doi cilindri adiacenți, pentru a limita solicitările termice. Temperaturile uzuale în zona supapei de evacuare ating valori de 700 °C.

Diametru orificiului supapei de admisie (5) este mai mare decât cel al supapei de evacuare (6). Această diferență se datorează necesității unei suprafețe de curgere mai mare a aerului admis în motor, mai ales la motoarele aspirate. La aceste tipuri de motoare aerul (amestecul aer-combustibil) este „tras” în motor datorită depresiunii create de mișcarea pistonului în cilindru. Contrar, gazele arse sunt evacuate facil, fiind împinse de piston. Astfel, pentru a asigura o umplere suficientă a cilindrilor cu aer proaspăt, diametrul orificiului de curgere al supapei de admisie este mai mare decât cel al supapei de evacuare.

La chiulasele din aliaj de aluminiu (majoritare în cazul automobilelor) supapele nu se așează direct pe corpul chiulasei. Supapele se așează pe un scaun, care sunt de fapt inele presate în chiulasă. Pentru a asigura rezistența mecanica și termica necesară, scaunele supapelor se confecționează din fontă sau oțel aliat.

Geometria chiulasei depinde de tipul motorului (benzină sau diesel), forma camerei de ardere (care depinde în principal de tipul injecției), tipul sistemului de distribuție (OHV, OHC sau DOHC), de traseul de curgere al gazelor (admisie și evacuare) și de sistemul de răcire.

Majoritatea motoarelor de automobile au chiulasa din aluminiu. Chiulasa din fontă de utilizează cu precădere la autovehicule comerciale, de transport marfa sau persoane. Chiulasa din aluminiu are avantajul unui coeficient mai mare de transfer termic (disipă mai ușor căldura), masă mai mică și se prelucrează mai ușor. Chiulasa din aluminiu se fabrică prin turnare la presiune scăzută, în forme ceramice sau metalice.

Un motor cu ardere internă, răcit cu lichid, conține trei circuite care lucrează cu fluide: circuitul de admisie/evacuare, circuitul de răcire și cel de ungere cu ulei. Toate aceste trei circuite se intră în componența chiulasei. Din acest motiv este deosebit de importantă etanșeitatea chiulasei pentru a nu permite interacțiunea celor trei circuite.

De exemplu, pătrunderea uleiului în cilindri va conduce la arderea acestuia și la emisii importante de fum albastru. De asemenea, contaminarea cilindrilor cu lichid de răcire va conduce la uzura prematură a pieselor în mișcare (piston, segmenți) și la emisii de fum alb.

Etanșeitatea chiulasei este asigurată de garnitura de chiulasă. Aceasta se poziționează între chiulasă și blocul motor și are rolul de a etanșa diferitele circuite care fac parte din chiulasă. Pe lângă asigurarea compresiei în cilindri și a etanșeității lichidului de răcire și a uleiului, garnitura de chiulasă trebuie să aibă rezistență termică și mecanică ridicată.

Fiind piese statice, probabilitatea de defect a chiulasei și a garniturii de chiulasă este destul de mică. Totuși este de preferat ca la intervale mari de utilizare a automobilului (aproximativ 7-10 ani sau 100.000 – 150.000 km) să se înlocuiască garnitura de chiulasă. Măsura se dorește a fi preventivă, pentru că, în cazul în care se deteriorează garnitură de chiulasă, uzura motorului crește semnificativ sau chiar se produc defecte iremediabile ale motorului. De asemenea, o atenție deosebită trebuie acordată fixării chiulasei de blocul motor, la strângerea șuruburilor să se respecte ordinea și cuplul de strîngere prescris de producătorul auto. În caz contrar chiulasa se poate fisura (la un cuplu de strângere prea mare sau ordine de strângere a șuruburilor incorectă) sau etanșeitatea poate fi compromisă (la un cuplu de strângere prea mic).

1.4.7. Blocul motor

Blocul motor este piesa principală a motorului, în interiorul și exteriorul căreia se montează celelalte elementele componente ale motorului. Prinderea blocului motor pe caroserie se face prin intermediul unor suporturi elastice.

Din punct de vedere al componentelor principale putem spune că majoritatea motoarelor cu ardere internă pentru automobile sunt alcătuite din patru piese separate:

capacul de chiulasă

chiulasa

blocul motor (se mai numește și bloc carter sau blocul cilindrilor)

baia de ulei

Delimitarea blocului motor de chiulasă și baia de ulei se face utilizând garnitura de chiulasă respectiv garnitura de etanșare a băii de ulei. De reținuta că, în funcție de numărul și dispunerea cilindrilor, blocul motor poate fi alcătuit din două piese separate numite semicarter inferior și superior.

Funcțiile principale ale blocului motor sunt:

fixarea arborelui cotit

paralelismul cilindrilor

fixarea echipamentelor auxiliare (compresor, alternator, pompă)

formarea spațiului prin care circula lichidul de răcire al motorului

formarea circuitului de lubrifiere al motorului

Elementele blocului motor:

prezoane pentru fixarea demarorului

găuri filetate pentru fixarea chiulasei

cilindrii

canale pentru circulația lichidului de răcire

canale pentru circulația uleiului

Blocul motor este piesa principală a motorului și din prisma solicitărilor la care este supus. Astfel cilindrii trebuie să suporte temperaturi foarte înalte, presiuni mari, să aibă coeficient de frecare cat mai mic și duritate cat mai mare. În același timp blocul motor trebuie să aibă masa și gabaritul cat mai reduse.

Blocul motor se fabrică pe scară largă din fontă de calitate sau fontă ușor aliată, prin turnare. În cazul motoarelor de performanță se utilizează blocul motor din aliaj de aluminiu care, în comparație cu blocul motor din fontă, prezintă următoarele avantaje:

densitate redusă

conductibilitate termică ridicată

rezistență la uzură mai mare

prelucrabilitate mai bună

Geometria blocului motor depinde în principal de numărul și dispunerea cilindrilor. Din acest punct de vedere blocul motor poate fi:

bloc vertical, cu un rând de cilindrii (motoare cu cilindrii în linie)

bloc în "V", cu două rânduri de cilindrii (motoare cu cilindrii în V)

bloc orizontal, cu cilindrii opuși la 180° (motor boxer)

bloc în "W", cu patru rânduri de cilindrii

1.4.8. Arbore cotit

Din punct de vedere mecanic, arborele cotit este cea mai solicitată piesă a motorului deoarece, prin intermediul pistonului și a bielei, preia forțele datorate presiunii din cilindru. Arborele cotit este piesa care preia forțele din bielă, însumează lucrurile mecanice produse în cilindrii și transmite energia rezultată către roți prin intermediul transmisiei.

De asemenea arborele cotit antrenează unele sisteme auxiliare ale motorului (distribuția, pompa de ulei, pompa de apă, compresorul, alternatorul, etc.).

Arborele cotit este poziționat în interiorul motorului, fixat de blocul motor, prin fusurile paliere.

Elementele ce compun un arbore cotit pentru motor sunt:

fusurile paliere (prin acestea arborele se sprijină pe blocul motor, în lagăre)

fusurile manetoane (pe acestea sunt prinse bielele)

brațele (realizează legătura dintre fusurile paliere și manetoane, conțin adesea și contragreutăți de echilibrare)

capetele (pe unul se montează volantă iar pe celălalt mecanismul de roti dințate pentru antrenarea distribuției)

Volanta asigură regularitatea mișcării de rotație a arborelui cotit, pentru fiecare ciclu motor. Deoarece cuplul motor nu este continuu, el este produs doar pe cursa de destindere pentru fiecare cilindru, se impune utilizarea unei volante.

1, 2, 3, 4, 5, 6 – fusuri paliere

a, b, c, d, e – fusuri manetoane

Pentru a reduce frecarea în timpul mișcării de rotație, arborele cotit se montează pe cuzineți în lagărele blocului motor. Frecarea dintre cuzineți și arborele cotit este umedă, cu ulei sub presiune, presiunea fiind asigurata de pompa de ulei. Uleiul circula la fusurile manetoane și paliere prin intermediul unor canale prevazute în arbore.

Pentru a echilibra arborele cotit în timpul mișcării de rotație brațele pot fi prevăzute cu contragreutăți. Calibrarea acestor contragreutăți se face prin găurire, cu diametre și adâncimi diferite.

Forma arborelui cotit, respectiv numărul fusurilor paliere și cel al fusurilor manetoane, sunt condiționate de numărul și poziția cilindrilor, de ordinea de aprindere și de echilibrarea dinamică a forțelor de inerție ce apar în timpul rotație.

Arborele cotit se obține de obicei din oțel-carbon de înaltă calitate sau, în funcție de solicitările la care este supus, din oțel aliat cu crom și nichel sau cu molibden și vanadiu.

Arborele cotit fiind piesă în mișcare are nevoie de ungere cu ulei pe secțiunile în contact cu alte piese. Astfel fusurile, paliere și manetoane precum sunt prevăzute cu găuri, canale prin care circulă ulei sub presiune.

Circuitul de ungere cu ulei din interiorul arborelui cotit

găuri de ungere prevazute în fusul palier

găuri de echilibrare prevazute în contragreutăți

găuri de ungere prevazute în fusurile manetoane

Arborii cotiți sunt fabricați prin turnare sau prin strunjire pe mașini cu comandă numerică. În videoclipul de mai jos sunt câteva secvențe din procesul de prelucrare al unui arbore cotit strunjit.

1.4.9. Pistonul si Biela

Grupul Biela

Biela face parte din mecanismul motor și are rolul de a prelua forța de apăsare a pistonului pe care o transmite arborelui cotit. De asemenea, biela împreună cu fusul maneton al arborelui cotit, transformă mișcarea de translație a pistonului în mișcare de rotație la arborele cotit.

Extremitatea bielei la care se prinde pistonul se numește picior. Corpul bielei face legătura între picior și cap (care se fixează de fusul maneton al arborelui cotit). Capul bielei are o parte demontabilă, numită capac, care servește la prinderea bielei de arborele cotit.

Părțile componente ale bielei:

piciorul bielei (unde se prinde pistonul cu ajutorul bolțului)

corpul bielei

piulită

cuzinet

șurub

capacul bielei

Biela trebuie să reziste la solicitări mecanice intense produse de forța de presiune a gazelor și de inerția pieselor în mișcare. Pistonul se fixează de piciorul bielei prin intermediul unui bolț. Acesta este fixat în bielă și se poate roti în locașurile pistonului. Între piciorul bielei și bolț nu există contact direct, între acestea fiind inserată o bucșă din metal mai moale (bronz) care are rolul de a reduce frecările.

Piston și bielă motor 6.2L 8V Chevrolet Corvette:

bielă (picior cu bucșă inserată)

piston

segmenți

bolț

inel de fixare

șurub

cuzinet

Pentru prinderea capacului bielei se utilizează două șuruburi. Soluțiile mai noi de biele nu prevăd și piulițe pentru șuruburi, acestea fiind înfiletate direct în capac. Pe capac cât și pe bielă sunt prevăzute știfturi și orificii care să permită montarea capacelor doar într-o singură poziție. La un motor, capacele bielelor nu sunt interschimbabile, tot timpul un capac va fi montat la aceeași bielă.

Bielele sunt fabricate din oțeluri aliate de înalte rezistență în unele cazuri, pentru motoare de înaltă performațe, se utilizează biele pe bază de titan.

Bolțul pistonului realizează legătura articulată între piston și bielă. Forma bolțului este cilindrică cu orificiu interior pe toată lungimea. Rezistența mecanică a bolțului trebuie să fie ridicată deoarece este supus solicitărilor de comprimare, forfecare și îndoire. Datorită condițiilor grele de funcționare și a necesității rezistenței la uzură bolțul se execută din oțel aliat.

Pentru a avea o rezistență sporită la uzură bolțul se supune unor tratamente termice de durificare (călire prin curenți de înaltă frecvență). La motoarele termice pentru automobile bolțul este flotant, între bolț, umeri pistonului și piciorul bielei existând un joc. Datorită acestui joc, în timpul funcționării motorului se creează o peliculă de ulei între piesele în mișcare care amortizează șocurile și reduce frecările.

Tipuri de inele de fixare a bolțului în pistonului

Inel Seeger bolt Inel sârmă bolț Inel sârmă bolț

Pentru a limita deplasarea axială a bolțului în locașurile pistonului, bolțul se fixează cu ajutorul unor inele metalice amplasate în canele speciale din piston. Limitarea jocului este necesară deoarece un joc excesiv poate antrena apariția unor tensiuni mecanice care ar putea duce la deformarea pistonului.

Cuzinetul se montează în capul bielei, între bielă și arborele cotit. Pe fiecare bielă sunt montați cîte doi cuzineți, unul în capac iar celălalt pe bielă. Un cuzinet este format dintr-un strat metalic subțire acoperit de un strat antifricțiune care vine în contact cu fusul arborelui cotit.

Între cuzinet și arborele cotit se prevede un joc care să permită formarea unui strat hidrodinamic de ulei pentru reducerea frecării. Pentru respectarea acestui joc strângerea capacelor bielei se va face întotdeauna la cuplul specificat de constructorul motorului.

Fiecare cuzinet are pevăzut câte un pinten de fixare care are rolul de a poziționa corect cuzinetul și în același timp asigură montarea cuzinetului doar pe capac sau doar pe bielă. Ca și capacele bielelor, cuzineții nu sunt interschimbabili, ei se montează tot timpul pe aceeași piesă.

În timpul funcționării motorului, datorită unei presiuni insuficiente a uleiului, stratul hidrodinamic de ulei nu se mai formează și din acest motiv apar uzuri pronunțate ale cuzineților. Lipsa peliculei de ulei duce și la apariția unui zgomot metalic datorită frecării uscate. Inspecția cuzineților se face vizual, prin demontarea acestora și orice defect presupune înlocuirea lor.

Se poate întâmpla ca, din diferite motive, apa să pătrundă în cilindri. Datorită faptului că apa este incompresibilă, la sfârșitul cursei de comprimare apar forțe foarte mari care conduc la deformarea extremă a bielei. În aceste cazuri este recomandat ca toate componentele mecanismului motor să fie înlocuite deoarece forțele extreme apărute, chiar dacă nu au deformat vizibil piesele, să afecteze jocurile normale de montaj.

Grupul piston

Atunci când vorbim despre un motor nu putem afirma că o anumita piesa este cea mai importantă sau cel mai puțin importantă. Fiecare piesa are rolul ei fără de care funcționarea motorului ar fi imposibilă sau nu ar mai respecta performanțele impuse. Cu toate acestea pistonul unui motor cu ardere internă ocupă un loc aparte datorita rolului pe care-l are și datorită solicitărilor complexe la care este supus. Pentru un motor cu ardere internă, pistonul este "călcâiul lui Achile", deoarece puterea motorului este limitată de rezistența pistonului la solicitările termice și mecanice.

Pistonul este un organ mecanic, în mișcare alternativă de translație, care, împreuna cu piesele care-l însoțesc (segmenții și bolțul), îndeplinește următoarele funcții:

realizează variația de volum în interiorul cilindrului

asigură evoluția fluidului motor în cilindru (admisia și evacuarea gazelor)

ghidează mișcarea bielei transmițând în același timp forțele de presiune ale gazelor

asigură etanșeitatea cilindrului, împiedicând scăpările de gaze și pătrunderea uleiului în exces

contribuie la evacuarea căldurii rezultate în timpul arderii

Parțile componente ale unui piston sunt:

capul pistonului

regiunea port-segmenți

mantaua/fusta pistonului

Capul pistonului este cea mai solicitată zona din punct de vedere termic deoarece vine în contact cu gazele de ardere și în același timp preia forțele de presiune. În funcție de tipul motorului cu ardere internă (benzină sau motorină) capul pistonului are diferite forme: plat, bombat sau să conțină o parte din camera de ardere.

Regiunea port-segmenți conține trei canale în care sunt montați segmenții. Primul segment, cel mai apropiat de capul pistonului, se numește segmentul de compresie/foc (a), al doilea se numește segment de etanșare (b) iar al treilea segment de ungere/raclor (c). Legătura pistonului de bielă se realizează cu ajutorul bolțului montat în umerii pistonului numiți și locașurile bolțului (d).

La o examinare cu ochiul liber forma pistonului pare cilindrica, dar nu este perfect adevărat. Pistoanele sunt făcute din materiale metalice: aluminium, otel și în unele cazuri fontă. Deoarece aceste materiale au coeficient termic de dilatare, este clar că dimensiunile pistonului nu sunt fixe ci variabile, în funcție de temperatură.

Dilatarea termică a pistonului nu este uniformă, este mai mare în zona capului pistonului datorită cantității mai mare de material. Nici distribuția temperaturii în corpul pistonului nu este uniforma, fiind mai mare în zona capului și mai mică în partea inferioară, în zona mantalei. Din acest motiv forma pistonului trebuie sa fie ușor conică, pentru ca prin dilatare sa devina cilindrică.

De reținut faptul că un piston de motor diesel, în comparație cu pistonul motorului pe benzină, este mai robust, are mantaua mai înaltă și conține camera de ardere în capul pistonului. Dezavantajul este că robustețe mai mare înseamnă masă mai mare. Acesta este unul dintre motivele pentru care turația maximă a unui motor diesel este mai mica, în general cu 2000 – 2500 rot/min, decât cea a unui motor pe benzină. Toate piesele în mișcare ale unui motor diesel au masa mai mare și deci, implicit, inerții mai mari. Turațiile maxime, de nivelul unui motor pe benzină, nu sunt posibile la un motor diesel deoarece induce șocuri și vibrații foarte mari ce pot conduce la avarierea parțială sau totală a motorului.

O parte din căldura rezultată în urma arderii este evacuată prin intermediul pistonului. Cea mai mare parte a căldurii se evacuează prin regiunea port-segmenți (70%), la nivelul mantalei se evacuează în jur de 25% iar restul se transmite bolțului, bielei, gazelor de carter și uleiului. Distribuția temperaturii la nivelul pistonului depinde în mare măsura de arhitectura acestuia. Pentru un pistonul cu capul plat maximul temperaturii se atinge în centrul pistonului și scade spre extremități.

Nivelul maxim de temperatură depinde de regimul de funcționare al motorului. Temperatura poate crește în două moduri:

prin creșterea sarcinii, datorită cantității mai mare de combustibil introdus în cilindru;

prin creșterea turație, datorită numărului mai mare de cicli efectuați în unitate de timp.

Pentru o mai bună înțelegere a distribuției de temperaturi pe corpul unui piston, în etapa de proiectare a unui motor, se face cu ajutorul stațiilor grafice o analiză cu element finit. Pistonul, modelat tridimensional este supus acțiunii unei surse de căldură, de unde rezultă distribuția temperaturilor:

Distribuția temperaturilor în corpul pistonului

267 °C

235 °C

226 °C

218 °C

191 °C

În concluzie pentru a limita încărcarea termică a unui piston motorul ar trebui să funcționeze la turații și sarcini cat mai joase.

1.5. Intretinerea motorului

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

1.6. Mecatronica motorului cu aprindere interna

Sistemul START & STOP

Ce reprezinta Sistemul Start&Stop ?

Sistemul Stop & Start oprește în mod automat motorul termic, fără intervenția conducătorului auto, când automobilul staționează. Scopul acestui sistem este reducerea consumului de combustibil și implicit a emisiilor de CO2 (bioxid de carbon), prin oprirea motorului în fazele de mers încent în gol (ralanti).

Cum functioneaza Sistemul Start&Stop ?

Oprirea motorului în fazele de mers încent în gol (ralanti) se realizeaza automat de catre acest sistem.

După oprire (faza Stop), repornirea motorului (faza Start) se face tot automat, când conducătorul automobilului apasă pedala de ambreiaj (la un automobil cu cutie de viteze manuală) sau când ridică piciorul de pe pedala de frână (la un automobil cu cutie de viteze automată).

Principalele componente ale Sistemului

1. demaror (îmbunătățit)

2. pompă de ulei electrică (pentru transmisia automată)

3. unitate de control

4. baterie de acumulatori adițională

5. indicator Stop & Start pe bord

6. senzori adiționali (ex. capotă deschisă, centura sofer)

Implementarea sistemului Stop & Start diferă de la constructor la constructor. Cel mai uzual sistem este cel care utilizează demarorul clasic pentru repornirea motorului. Comparativ cu un demaror clasic, demarorul pentru motoare cu sistem Stop & Start este mai robust, rezistă la mai multe cicluri de pornire. De asemenea, mecanismul de cuplare al acestuia cu coroana volantei trebuie să funcționeze și atunci când motorul termic nu este complet oprit.

Mecanismul de cuplare al demaroarele convenționale pot reporni motorul termic doar dacă acesta s-a oprit complet (turație zero). Din acest motiv nu se pretează sistemelor Stop & Start deoarece, în anumite situații, motorul termic trebuie repornit înainte să se oprească complet.

Compania Denso a dezvoltat un demaror special pentru sistemele Stop & Start. Acesta, denumit Tandem Solenoid (TS) Starter (demaror cu solenoid în tandem), permite repornirea motorului termic și atunci când acesta este în faza de oprire dar nu s-a oprit complet.

Timpul de repornire al motorului termic, echipat cu un demaror TS Denso, este redus cu 1.5 secunde, comparativ cu un demaror convențional. Acest lucru este posibil datorită mecanismului de acționare care cuprinde circuite separate de control pentru mișcarea de cuplare a pinionului demarorului și acționarea efectivă a acestuia.

1. coroana dințată de pe volantă

2. pinionul demarorului

3. solenoid pentru cuplarea pinionului cu coroana dințată a volantei

4. solenoid pentru energizarea demarorului

Bateria de acumulatori pentru sistemele Stop & Start este specială, poate fi descărcată mai mult decât o baterie auto obișnuită și rezistă la mai multe cicluri descărcare-încărcare. Când motorul termic este oprit bateria alimentează cu energie toate sistemele electrice.

Unii producători auto au optat pentru echiparea automobilelor cu o baterie de acumulatori adițională, pentru a putea face față consumului de energie electrică în timpul opririi motorului termic.

1. calculatorul de injecție cu sistem de control Stop & Start

2. convertor DC/DC de 12V

3. baterie de acumulatori (EFB, AGM) cu senzor de curent

4. demaror Stop & Start

5. senzor poziție neutră levier de viteze

6. senzor viteză roată

7. senzor poziție (turație) motor (arbore cotit)

8. alternator cu funcție de recuperare a energiei în timpul frânării

Alternatorul este de asemenea special pentru sistemul Stop & Start. Față de un alternator clasic acesta generează cu până la 60% mai multă energie electrică mai ales la turații scăzute. Scopul este de a reîncărca bateria cât mai repede cu putință pentru a permite opriri dese alte motorului termic.

Sistemul Stop & Start oprește motorul termic dacă următoarele condiții sunt îndeplinite:

viteza automobilului este sub un anumit prag (3…5 km/h)

levierul schimbător de viteze este în poziția neutră

pedala de ambreiaj nu este apăsată (automobile cu cutie de viteze manuală)

volanul nu este acționat (nu este nevoie de servo-asistență)

motorul este la ralanti

Sistemul Stop & Start impune câteva modificări și asupra celorlalte sisteme ale automobilului. De exemplu, în cazul automobilelor cu cutii de viteze automate, sunt necesare pompe de ulei electrice sau sisteme de acumulare a uleiului sub presiune (HIS), pentru a face posibilă acționarea elementelor de cuplare.

Reducerea consumului de combustibil

În mediul urban, sistemul Stop & Start reduce semnificativ consumul de combustibil, mai ales în cazul opririlor foarte dese. Emisiile de bioxid de carbon (CO2) fiind direct legate de consumul de combustibil al motorului sunt reduse în cazul unui automobil cu sistem Stop & Start.

Utilizarea Sistemului

Automobilele moderne combină sistemul Stop & Start cu un sistem de recuperare a energiei de frânare (prin intermediul alternatorului). Astfel, cu aceste sisteme combinate, se obține un automobil hibrid minimal (micro hibrid).

Capitolul 2 : Calculul dinamic pentru determinarea performanțelor autovehiculului

În cadrul acestui calcul se vor studia performanțele unui Volkswagen Golf VI , varianta de motorizare cu motorul cu aprindere prin comprimare de 2000cm³, avand următoarele caracteristici:

Din punctul de vedere al dimensiunilor principale, VW Golf VI are urmatoarele dimensiuni:

Lungime totală:

Ampatament:

Lățime totala:

Ecartament fața:

Ecartament spate:

Înălțime totală:

Greutatea totală:

Greutatea proprie:

2.1.Calculul de tracțiune

2.1.1. Adoptarea dimensiunilor constructive

Greutatea totală se obține prin însumarea greutații proprii, notată cu și a greutatii utile, notată cu . Se alege din fișa tehnică urmatoarele dimensiuni:

Astfel, greutatea utila este:

Figura 2.1. Adoptarea dimensiunilor constructive VW Golf VI

2.1.2. Poziția centrului de greutate și încărcarea pe punți

Coordonatele centrului de greutate se aleg din tabelul 1.2. reprezintă greutatea pe axa față, respectiv pe axa spate.

Se adoptă înălțimea centrului de greutate:

Figura 2.2. Coordonatele centrului de greutate

Tabelul 2.1.2.1. Coordonatele centrului de greutate

2.1.3. Adoptarea pneurilor și ai parametrilor constructivi ai transmisiei

Se adoptă, pneurile de dimensiuni: 205/55/R16, cu următoarele caracteristici contructive:

Diametrul jantei:

Lățimea profilului:

Diametrul exterior:

Înălțimea profilului:

Raza de rulare este raza unei roți imaginare, nedeformabile,care rulează fără alunecări și patinări, având însă aceeasi viteză de rotație si de translație cu a roții reale. Aceasta se poate calcula cu ajutorul razei libere a roții , cu un coeficient de deformare (se adopta pentru pneuri de joasa presiune).

2.1.4. Calculul caracteristicii externe a motorului

Prin caracteristica externa se înțelege dependența a momentului motor , a puterii motorului , a consumului specific de combustibil și a consumului orar de combustibil C, in funcție de turația arborelui cotit la admisie totală n.

Elementele definitorii pentru curbele caracteristice sunt:

Turatia minimă de funcționare a motorului ;

Turatia de moment maxim ;

Turatia de putere maxima .

Zona de funcționare a motorului () se numește zona stabila sau zona de stabilitate, mărimea acesteia fiind caracterizată de coeficientul de elasticitate:

.

Variatia momentului motor în zona stabilă este caracterizată prin coeficientul de adaptabilitate:

2.1.4.1. Determinarea analitică a caracteristicii externe a motorului

Determinarea analitică a caracteristicii externe se face cu ajutorul formulelor empirice. Astfel, puterea motoare este data de relatia:

Unde coeficienții a, b, c, calculați cu următoarele relații:

Pentru motorul cu aprindere prin comprimare:

si

Curba momentului motor se aproximeaza cu ajutorul relației:

Consumul specific de combustibil se calculeaza astfel:

Se adoptă puterea calorică a combustibilului și randamentul efectiv si

Curba consumului orar de combustibil se poate determina cu formula:

Așadar, in tabelul de mai jos valorile pentru motorul cu aprindere prin comprimare.

Tabelul 2.2. Caracteristica externa pentru motorul MAC

2.1.5. Determinarea vitezei maxime a autovehicului

Determinarea vitezei maxime pe care o poate atinge autovehiculul la putere maxima, se calculeaza cu relația:

În această ecuație, mărimile au următoarele semnificații:

– randamentul transmisiei dat de urmatoarea relație:

– aleg 0,94 randamentul cutiei de distribuție ;

– aleg 0,98 randamentul cutiei de viteze ;

– aleg 0,92 randamentul transmisiei principale.

– puterea maxima

– coeficientul de rezistenta la rulare

Valorile parametrilor , și se aleg in funcție de tipul pneului, din tabelul 1.4, și anume pneu de tip radial, confecționat din cord metallic.

Tabelul 2.3. Parametrii pentru calculul coeficientului de rezistenta la rulare

– coefficient aerodinamic

– densitatea aerului

– coeficient de rezistență al aerului

– aria secțiunii maxime transversal

– ecartamentul fata autovehiculului

– înalțimea maxima a autovehiculului

Astfel, viteza maxima a autovehiculului este:

Capitolul III : Calculul termic

3.1. Alegerea parametrilor inițiali de calcul

Alegerea parametrilor inițiali de calcul se face în funcție de caracteristicile tehnice ale motorului de referință și de proprietățile fizico-chimice ale combustibilului utilizat. O parte însemnată din parametrii inițiali de calcul nu este indicată însă în documentația tehnică a motorului. De aceea , în funcție de caracteristicile de bază ale motorului (număr de timpi, turație, tipul admisiei etc.), acești parametri se adoptă în funcție de valorile experimentale indicate în literatura de specialitate.

Parametrii inițiali ai calcului termic sunt:

Puterea efectivă

Numărul de timpi

Turația

MAC:

Numărul de cilindrii

Compoziția procentuală a combustibilului

Carbon

Hidrogen

Oxigen

Puterea calorică inferioară a combustibilului

Presiunea mediului ambiant

Presiunea mediului ambiant se consideră presiunea atmosferică:

Presiunea de supraalimentare în cazul motorului cu aprindere prin comprimare:

Temperatura mediului ambiant

Temperatura mediului ambiant diferă în funcție de condițiile de exploatare pentru care este construit motorul. Astfel:

Presiunea de evacuare

În conformitate cu documentația de specialitate, presiunea din colectorul de evacuare poate lua următoarele valori:

Coeficientul de scădere a presiunii de admisie

Datorită rezistențelor gazodinamice ale sistemului de admisie, presiunea fluidului proaspăt la intrarea în admisie este mai mică decât cea inițială. Raportul dintre cele două reprezintă coeficientul de scădere al presiunii de admisie:

Temperatura gazelor arse reziduale

Temperatura gazelor arse reziduale Tr depinde de urmãtorii factori: raportul de comprimare, sarcina și turația motorului. Cu cât este mai mare, cu atât gradul de destindere a gazelor va fi mai mare, ceea ce conduce la reducerea temperaturii Tr. Creșterea sarcinii și turației provoacã mãrirea temperaturii pereților cilindrului, ceea ce conduce la mãrirea temperaturii Tr. Temperatura gazelor arse reziduale, pentru calculele preliminare, se poate considera

Încălzirea aerului in contact cu motorul

Preîncãlzirea aerului T depinde de sarcinã, de turație și de condițiile de rãcire ale motorului, luând valori cuprinse în domeniul:

Răcirea intermediară a aerului de supraalimentare

Coeficientul de exces de aer

Pentru asigurarea unei arderi de bunã calitate a combustibilului, aceasta se realizează cu o cantitate de aer superioară celei necesare arderii complete (stoichiometrice). Raportul dintre cantitatea reală de aer L, care revine unui kilogram de combustibil, și cantitatea teoretic necesarã Lt se numește coeficient de exces de aer:

Coeficientul gazelor arse reziduale

În momentul închiderii organelor de evacuare, în cilindru mai rãmân gaze de ardere provenite din ciclul precedent, numite gaze arse reziduale. Raportul dintre cantitatea acestora și cantitatea de aer introdusã în cilindru se numește coeficient al gazelor arse reziduale:

Coeficienții de utilizare a căldurii

Se utilizează noțiunea de coeficient de utilizare a căldurii , care reprezintă raportul dintre cantitatea de căldură utilizată pentru producerea de lucru mecanic exterior și pentru mărirea energiei interne a fluidului motor și cantitatea totală de căldură degajată prin arderea combustibilului:

Pentru arderea izocoră, coeficientul .

Pentru arderea izobară, coeficientul

Coeficientul de rotunjire a diagramei indicate

Raportul dintre aria diagramei indicate reale Lir și cea a diagramei indicate teoretice Lit se numește coeficient de rotunjire a diagramei indicate:

Randamentul mecanic

Gradul de perfecțiune a proceselor mecanice din motor este caracterizat prin randamentul mecanic m. El reprezintă raportul dintre lucrul mecanic efectiv Le și cel indicat Li, măsurate la același regim de funcționare al motorului:

Raportul de comprimare

Raportul dintre volumul maxim al camerei de ardere Va (corespunzãtor poziției pme a pistonului) și volumul minim al acesteia Vc (corespunzãtor poziției pmi) se numește raport de comprimare:

Raportul dintre raza manivelei si lungimea bielei

Comportamentul cinematic al mecanismului motor este determinat și de raportul dintre raza manivelei R și lungimea bielei L, cunoscut sub denumirea de coeficient de compactitate:

Raportul cursă/alezaj

Raportul dintre cursa pistonului S și diametrul cilindrului (alezajul) D caracterizeazã construcția generalã a motorului. În funcție de valoarea raportului cursã/alezaj:

Unghiul de avans la injecție

MAC:

Unghiul de corecție al duratei arderii

Unghiul corespunzãtor duratei totale a arderii poate fi considerat ca sumã algebricã a unghiului de avans la injecție , a unghiului corespunzãtor întârzierii la autoaprindere a combustibilului v și a așa-numitului unghi de corecție a duratei arderii :

Randamentul politropic al comprimării în suflantă

3.2. Calculul procesului de admisie

Procesul de admisie, la un motor cu ardere internă, presupune introducerea în cilindru a unei cantități de aer și a unei doze de combustibil, în proporții adecvate regimului de funcționare al motorului, care vor forma amestecul proaspăt.

Figura 3.1. Desfășurarea procesului de admisie la motarele ăn 4 timpi

Cantitatea de oxigen necesară arderii complete a combustibilului

Cantitatea de aer necesară arderii complete a combustibilului

Cantitatea reală de aer necesară arderii complete a combustibilului

Cantitatea de gaze rezultate din arderea combustibilului

Bioxid de carbon

Vapori de apă

Oxigen

Azot

Cantitatea totală

Cantitatea de gaze arse reziduale

Bioxid de carbon

Vapori de apă

Oxigen

Azot

Cantitatea totală

Masa fluidului motor la sfârșitul admisiei

Tabel 3.1. Masele gazelor de ardere

Constanta caracteristică a fluidului motor la sfârsitul admisiei

Temperatura aerului la ieșirea din cilindru

Unde:

Entalpia fluidului motor la sfârșitul admisiei

Temperatura fluidului motor la sfârșitul admisiei

Pe baza temperaturilor componente:

Pe baza entalpiilor:

Presiunea de admisie a fluidului proaspăt

Volumul fluidului motor la sfârșitul admisiei

Coeficientul de umplere

3.3. Calculul procesului de comprimare

Comprimarea încărcăturii proaspete în cilindrul motorului reprezintă un proces complex care depinde de o serie de factori. Creșterea transformării căldurii în lucru mecanic, analizată din punct de vedere termodinamic, reclamă mărirea valorii gradului de comprimare . Această dependență se explică prin faptul că, odată cu creșterea gradului de comprimare, crește temperatura gazelor proaspete la începutul procesului de ardere si astfel, pentru aceeași cantitate de combustibil introdusă în cilindru, temperatura maximă a ciclului creste.

Figura 3.2. Evoluția presiunii in funcție de unghiul de rotație al arborelui cotit la comprimare

Procesul de comprimare are următoarele patru implicații asupra funcționării motorului :

– sporește randamentul termic prin comprimarea prealabilă a fluidului motor datorită măririi diferenței de temperaturi între care se desfășoară ciclul motor ;

– realizează un grad de expansiune ridicat. Cu cât va fi mai mare, cu atât va fi mai mare gradul de expansiune , mărindu-se astfel suprafața diagramei indicate ;

– asigură într-o mare măsură aprinderea combustibilului în contact cu aerul cald si arderea fluidului în condiții optime. În timpul acestui proces se intensifică mișcarea organizată a aerului creându-se condiții favorabile pentru formarea ulterioară a amestecului si arderii.

Coeficienții căldurii specifice medii molare a fluidului motor

Tabel 3.2. coeficienții căldurii specifice medii molare

Ecuația de determinare a exponentului mediu politropic al comprimării

Se consideră: și .

Figura 3.3. Determinarea exponentului mediu politropic al compimării

Valoarea exponentului mediu politropic al comprimării pentru care diferența între cei doi membrii ai ecuației să fie cât mai mică posibil , adică:

= aam + bam·Ta (nc – 1 +1)

Tabel 3.4. Valorile coeficientului mediu politropic al comprimării

Presiunea fluidului motor la sfârșitul comprimării

Temperatura fluidului motor la sfârșitul comprimării

Volumul fluidului motor la sfârșitul comprimării

3.4. Calculul procesului de ardere izocoră

Figura 3.5. Arderea in MAC

Prin ardere se înțelege o reacție chimică, produsă prin oxidarea substanțelor combustibile. Etapele arderii sunt :

În prima perioadă, perioada de întârziere la autoaprindere,o cantitate considerabilă de combustibil pătrunde în camera de ardere și, parțial se încălzește,vaporizează și se amestecă cu aerul fiind pregătit să se aprindă. Procesul care are loc în această fază poate fi, generic, denumit ca pregătire a amestecului carburant. Apariția unui nucleu de flacără este succedată, foarte rapid,de apariția unor noi nuclee, în număr tot mai mare, în zonele de amestec în care reacțiile pregătitoare iau sfârșit.

Elementul caracteristic al celei dea doua perioade îl constituie dezvoltarea rapidă a arderii în amestecuri preformate în care se dezvoltă reacții chimice prealabile de oxidare, de tipul flăcărilor reci si albastre. Perioada aceasta este deci a arderii în amestecuri preformate, cu radiație termică și emisii poluante reduse. Pe măsură ce amestecul pregătit în perioada de întârziere se consumă prin ardere, rata de consum de combustibil atinge o valoare ce se menține prin rata de pregătire a unor noi cantități de amestec, principalul factor ce guvernează procesul, fiind necesară găsirea cantității adecvate de oxigen de către combustibil, care poate fi în continuare injectat în amestecul ce arde, astfel încât, în această fază, arderea este controlată de către procesul de injecție, ca și de către procesele de amestecare și difuzie.

Spre final, după ce injecția de combustibil s-a încheiat,arderea continuă într-o manieră moderată, atât aerul cât și oxigenul consumându-se complet. Cea de-a treia perioadă,ca și cea anterioară este caracterizată prin ardere difuză producere de particule de carbon (funingine) și intensificare a transferului radiant de căldură.

În cadrul calculului termic se consideră că procesul de ardere se desfășoară inițial izocor și apoi izobar. În cadrul arderii izocore se consideră convențional că este arsă cantitatea de combustibil injectată în cilindru pe durata de întârziere la autoaprindere, injecția decurgând după o lege liniară.

Volumul fluidului motor în momentul declanșării injecției

Presiunea fluidului motor în momentul declanșării injecției

Temperatura fluidului motor în momentul declanșării injecției

Întârzierea la autoaprindere

= 0,001 s

Unghiul de rotație corespunzător întârzierii la autoaprindere

Unghiul de rotație corespunzător duratei totale a arderii

Cantitățile de gaze rezultate din arderea izocoră a combustibilului

– bioxid de carbon :

– vapori de apă:

– oxigen:

– azot:

– cantitatea totală:

Cantitățile de gaze arse la sfârșitul arderii izocore

– bioxid de carbon:

– vapori de apă:

– oxigen:

–azot:

– cantitatea totală

Masa fluidului motor la sfârșitul arderii

Constanta caracteristică fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Energia internă a fluidului motor la sfârșitul comprimării

Energia internă a fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Temperatura fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Volumul fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Presiunea fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Raportul de creștere a presiunii

3.5. Calculul procesului de ardere izobară

Figura 3.6. Desfășurarea arderii în MAS

În cadrul celei de-a doua faze a arderii – arderea izobară – este arsă cantitatea de combustibil. Prin urmare , la sfârșitul procesului, întreaga cantitate de combustibil este arsă, astfel încât în compoziția fluidului motor intră cantitațile de gaze rezultate în urma arderii si cele de gaze arse reziduale. Arderea izobară produce creșterea entalpiei fluidului motor.

Cantitatea de combustibil arsă la presiune constantă (pentru combustibil)

Cantitățile de gaze arse existente la sfârșitul arderii izobare

– bioxid de carbon:

– vapori de apă:

– oxigen:

– azot:

– cantitatea totală:

Masa fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Constanta caracteristică fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Entalpia fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Entalpia fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Temperatura fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Presiunea fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Volumul fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Raportul de destindere prealabilă

3.6. Calculul procesului de destindere

Procesul de destindere reprezintã partea din ciclul motor în care se produce fracțiunea principalã din lucrul mecanic disponibil (lucru mecanic se produce și înaintea destinderii – în ardere, și dupã destindere – în perioada evacuãrii libere). În cadrul procesului, energia internã acumulatã de fluidul motor se transformã parțial în lucru mecanic al pistonului care se deplaseazã de la pmi la pme.

Coeficienții căldurii specifice medii molare ai fluidului motor

Tabel 3.5. Coeficienții căldurii specifice medii molare

Ecuația de determinare a exponentului mediu politropic al destinderii

Se consideră M`S = si M`D =

Figura 3.7. Determinarea exponentului mediu politropic al destinderii

Valoarea exponentului mediu politropic al destinderii pentru care diferența dintre cei doi membrii ai ecuației să fie cât mai mică posibil ,adică : . Urmând aceeași pași de la determinarea exponentului mediu politropic al comprimării, va rezulta:

Volumul fluidului motor la sfârșitul destinderii

Presiunea fluidului motor la sfârșitul destinderii

Temperatura fluidului motor la sfârșitul destinderii

Raportul de destindere

Raporul de scadere al presiunii

Temperatura gazelor arse reziduale

3.7. Determinarea parametrilor indicați, efectivi si constructivi

Cunoscându-se mărimile de stare ale fluidului motor în punctele caracteristice ale ciclului de funcționare,se poate trece la determinarea valorilor parametrilor indicați și efectivi ai ciclului de funcționare,precum și a principalelor dimensiuni constructive ale motorului.

Lucrul mecanic indicat intr-un cilindru

Presiunea medie indicată

Randamentul indicat

Consumul specific indicat de combustibil

Puterea medie efectivă

Randamentul efectiv

Consumul specific efectiv de combustibil

Lucrul mecanic indicat necesar a fi dezvoltat intr-un cilindru

Coeficientul de similitudine

Volumele reale ale fluidului motor în punctele caracteristice ale ciclului de funcționare

Tabel 3.7. Valorile volulului si presinunii din cilindru în timpul comprimării și destinderii pentru MAC

Diametrul cilindrului

Cursa pistonului

Raza manivelei

Lungimea bielei

Cilindreea unitară

Cilindreea totală

Viteza medie a pistonului

Viteza ungthiulară a arborelui cotit

Puterea efectivă a motorului

Puterea indicată

Puterea pe cilindru

Puterea specifică a pistonului

Puterea litrică

Indicele de baleiaj

Gradul de solicitare al motorului

Dimensiunile de gabarit ale motorului

Lungimea:

Înălțimea motorului:

Adâncimea motorului:

Lățimea motorului:

Figura 3.8. Dimensiunile de gabarit ale motorului

3.8. Cinematica pistonului

Pentru studiul cinematicii pistonului este necesar sa determinăm deplasarea, viteza si accelerația acestuia.

3.8.1. Deplasarea pistonului

Figura 3.9. Cinematica pistonului

Tabel 3.8. Deplasarea pistonului pentru MAC [mm]

3.8.2. Viteza pistonului

Tabel 3.10. Determinarea vitezei pistonului pentru MAC [m/s]

3.8.3. Accelerația pistonului

Tabel 3.12. Determinarea accelerației pistonului pentru MAC [m/s²]

3.9. Calculul dinamic al mecanismului bielă-manivelă

În timpul unui ciclu forțele datorită presiunii gazelor variază după aceeași lege ca și variația presiunii din cilindru, funcție de unghiul . Pentru a determina variația presiunii funcție de unghiul , se folosește diagrama indicată.

Prin calculul dinamic se urmărește determinarea mărimii și caracterului variației sarcinilor care acționează asupra pieselor motorului, calcul ce este necesar în vederea stabilirii soluțiilor de echilibrare și de fixare pe șasiu, pentru studiul vibrațiilor motorului și ale structurii pe care acesta este montat.

3.9.1. Forțele care acționează asupra mecanismului

Forța datorată presiunii gazelor din cilindru se calculează cu relația:

Figura 3.10. Forțe si momente dezvoltate de gazele din cilindru

Forțele de interție a maselor aflate în mișcare de translație

Figura 3.11. Forțe si momente dezvoltate de miscarea de translație

Unde: reprezintă masa pistonului, iar (masa bielei)

3.9.2. Forțele rezultante din mecanismul motor

Figura 3.12. Determinarea foțelor rezultante din mecanismul motor

3.9.3. Momentul motor

Tabel 3.14. Forțele și momentele care acționează in mecanismul motorului MAC

Capitolul IV : Calculul organologic al motorului

Pe baza relțiilor matematice realizate anterior, se poate trece la o nouă etapă, și anume, proiectarea componentelor mecanismului motor si a agregatelor acestora.

4.1. Construcția și calcului pistonului

4.1.1. Rol funcțional

Transmite bielei forța de presiune a gazelor

Asigură transmiterea componentei normale produse de bielă către cămașa cilindrului

Impreuna cu segmenții asigura dubla etanseitate a cilindrului de carter

Preia o parte din energia degajată în urma arderii combustibilului, pe care o transmite bolțului, bielei, precum și agentului de răcire

4.1.2. Materiale

Materialele utilizate trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

Rezistența la temperature ridicate

Densitate redusă pentru reducerea forțelor de inerție

Coeficient de dilatare redus

Calități antifrictiune deosebite

Rezistență mare la coroziune

Materialul cel mai des utilizat în construcția pistonului este fonta, datorită calităților antifrictiune ridicate pe care aceasta le posedă.

4.1.3. Schemă de calcul

Lungimea pistonului

Lungimea mantalei

Lungimea de compresie

Grosimea pistonului în zona canalelor de segmenți

Grosimea pistonului în zona mantalei

Diametrul umerilor pistonului la interior

Diametrul umerilor pistonului la exterior

Lungimea umerilor pistonului

Înălțimea de protecție în regiunea de foc

Înălțimea flancului dintre două canale successive de segmenți

Grosimea capului pistonului

4.1.4. Calculul capului pistonului

Unde: – diametrul capului cilindrului la interior; – coeficient de dilatare a cămășii; – coeficient de dilatare al pistonului; – jocul la cald.

106

Tensiunile radiale maxime la extremitate

=304.73 N/mm²

Tensiunile tangențiale

Tensiunile termice radiale la extremitate

În care: ; ; ;

Tensiunile termice tangențiale

Rezultanta tensiunilor

Verificarea mantalei la presiune specific

Unde:

Verificarea la forfecare a umerilor pistonului

4.2. Calculul și construcția bolțului

4.2.1. Rol funcțional

Bolțul este montat în umerii pistonului, facând legatura între acesta si bielă si transmițand forța de presiunea a gazelor, precum și forța de inerție a maselor aflate în mișcare alternativă.

4.2.2. Materiale

Pentru bolț se adopta oțeluri carbon sau oteluri aliate cu următoarele caracteristici:

Rezistență la rupere ridicată

Duritate mare

Proprietăți antifricțiune bune

4.2.3. Schema de calcul

Diametrul bolțului la exterior

Diametrul boltului la interior

Lungimea bolțului

Lungimea bolțului în interiorul piciorului bielei

Lungimea bolțului în umerii pistonului

Jocul dintre umerii pistonului și piciorul bielei

Se adoptă:

Calculul la presiunea de contact între umerii pistonului și piciorul bielei.

Verificarea bolțului la oboseală prin încovoiere

Mmax=

•

σimax`=

Coeficientul de siguranța la oboseală

= 1.5 – coeficientul stării suprafeței;

= 0.1 – coeficientul concentratorilor de tensiune;

= 0.8 – coeficient dimensional;

-1 = 360 – rezistenta la oboseala prin ciclu alternant simetric de încovoiere.

Verificarea bolțului la forfecare

= 19.56

Verificarea bolțului la oboseală

= -42.96

Determinarea jocului la montaj

= 0.005754

4.3. Construcția și calculul segmenților

4.3.1. Rol funcțional. Construcție.

Segmenții sunt componente ale grupului piston, care asigură etanșarea camrei de ardere. Segmentul de la partea superioară a pistonului izolează gazele arse din camera de ardere și poartă denumirea de segment de comprimare. Ceilalți segmenți, montați în zona inferioară a regiunii port-segmenți asigura, in primul rând, împiedicarea pătrunderii uleiului de ungere în cameră. Sunt denumiți segmenți de ungere.

4.3.2. Calculul segmenților

Presiunea medie pe care o dezvoltă segmentul

Calculul grosimii radiale a segmentului

=3.91

Verificarea segmentului la dilatare

s = cil = 11·10-6 [grd-1] – coeficient de dilatare termica liniara al segmentului

= 160 oC

= 107 oC

ts – temperatura segmentului in functionare

tcil – temperatura cilindrului in functionare

Distanța dintre capete, măsurată pentru fibra medie în stare liberă

– raza fibrei medii în stare liberă

4.4. Construcția si calculul cămașii cilindrului

4.4.1. Alegerea materialului

Cămașa cilindrului motoarelor de automobilese confecționează din fontă, deoarece satisface cel mai bine dezideratele principale:

Rezistența ridicată la uzură abrazivă și corozivă

Proprietăți antifricțiune bune

Rezistență satisfăcătoare la solicitări mecanice

Turnare facilă

4.4.2. Alegerea tipului de cămașa

Dupa modul de asamblare cu blocul motorului se disting trei soluții constructive de camasi :

Pentru motorul cu aprindere prin comprimare adopt cămașa umedă.

4.4.3. Stabilirea dimensiunilor principale ale cămășii

Lungimea cămășii cilidrului

Lungimea camerei de racire

Grosimea pereților etanși

Diametrul exterior al gulerului de sprijin al cămășii cilindrului

Unde:

– forța care apasă asupra gulerului datorită strângerii chiulasei

– aria

– diametrul interior al gulerului

– diametrul exterior al gulerului

Sarcina uniform distribuită pe suprafața de contact

Momentul încovoietor maxim

Hg = =33.35mm

4.4.4. Calculul de rezistență

Tensiuni normale si radiale

Pe conturul interior (r = R)

=-360.48

Pe conturul exterior (r = R1)

=-382.57

Calculul tensiunilor termice

Pe suprafața interioară a tubului

Pe suprafața exterioară

Verificarea la încovoiere datorită forței normale

4.5. Construcția și calculul bielei

4.5.1. Rol funcțional. Componență. Condiții de funcționare.

Biela transmite forța de presiune a gazelor si foța de inerție de la grupul piston la arborele cotit. De asemenea, ea transformă mișcarea de translație a pistonului în mișcare de rotație a arborelui cotit.

Componentele bielei sunt: piciorul bielei, articulat cu pistonul prin intermediul bolțului; capul bielei, asamblat cu arborele cotit și corpul bielei care reprezintă zona de legătura dintre cele doua menționate anterior.

4.5.2. Piciorul bielei.

Diametrul exterior al piciorului bielei

Grosimea piciorului bielei

Înălțimea piciorului bielei

Grosimea bucșei

Diametrul interior al piciorului bielei

4.5.3. Corpul bielei

Lățimea corpului bielei în scțiunea minimă

Lățimea corpului bielei în secțiunea maximă

Lățimea corpului bielei în secțiunea A-A

4.5.4. Capul bielei

Diametrul interior al capului bielei

Unde – grosimea cuzinetului din capul bielei

Lungimea capului bielei

Dimensionarea șurubului la întindere

În care:

– diametrul șurubului

– coeficient d siguranță ce ține seama de eventualele solicitări la șoc ale șurubului

– rezistența la curgere a materialului

Distanța dintre axele șuruburilor

4.6. Construcția și calculul arborelui cotit

4.6.1. Rol. Componență. Condiții funcționale.

Arborele cotit transformă, cu ajutorul bielei, mișcarea de translație a pistonului în mișcare de rotație și transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forța de presiune a gazelor. La motoarele policilindrice, arborele cotit însumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru și îl transmite consumatorilor.

Ca rol suplimentar, arbolele cotit antreneaza sistemele auxiliare ale motorului, cum ar fi: mecanismul de distribuție, pompa de injecție, alternator, ventilator, etc.

Elementele componente ale arborelui cotit sunt: fusurile maneton și palier, brațele, contragreutați si o parte posterioara care se fixează cu volantul.

4.6.2. Alegerea dimensiunilor principale.

Lungimea cotului

Diametrul fusului palier

Lungimea fusului palier

Diametrul fusului maneton

Lungimea fusului maneton

Grosimea brațului

Lățimea brațului

Raza de racordare

4.7. Calculul forței ce acționează în bielă

Forța care acționeză în bielă se calculează cu ajutorul formulei:

Unde β reprezintă unghiul format de bielă și axa pistonului calculate cu ajutorul formulei:

Cu ajutorul valorilor obținute se trasează diagrama forței din bielă funcție de poziția arborelui cotit.

4.7.1 Calculul forței normale (Fn)

Forța normal se calculează cu formula:

Cu ajutorul valorilor obținute se trasează diagrama forței normale funcție de poziția arborelui cotit.

4.7.2. Calculul forței tangențiale (Ftg)

Forța tangențială se calculează cu ajutorul formulei:

Cu ajutorul valorilor obținute se trasează diagrama forței tangențiale funcție de poziția arborelui cotit.

4.7.3 Calculul forței radiale (Fz)

Forța radială se calculează cu ajutorul formulei:

Cu ajutorul valorilor obținute se trasează diagrama forței radiale funcție de poziția arborelui cotit.

Bibliografie