CERCETĂRI PRIVIND CREȘTEREA PERFORMANȚELOR UNUI MOTOR TERMIC PRIN MODIFICAREA PARAMETRILOR FUNCȚIONALI [308541]

ACADEMIA FORȚELOR TERESTRE

“NICOLAE BĂLCESCU”

LUCRARE DE LICENȚĂ

TEMA: “CERCETĂRI PRIVIND CREȘTEREA PERFORMANȚELOR UNUI MOTOR TERMIC PRIN MODIFICAREA PARAMETRILOR FUNCȚIONALI”

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

Col. conf. univ.

dr. VIRCA IOAN

AUTOR

Stud.sg.

[anonimizat]

-SIBIU, 2019-

CUPRINS

Introducere

Capitolul 1: Stadiul actual al cercetărilor și realizărilor în domeniul îmbunătățirii performanțelor motoarelor de automobile prin modificări tehnologice (tuning) și stabilirea obiectivelor de cercetare ale lucrării

Performanțele motoarelor actuale

Posibilități de creștere a performanțelor

Exemplificări

Exemplificarea 1

Exemplificarea 2

Exemplificarea 3

Concluzii

Capitolul 2: [anonimizat] a subansamblelor ce concură la îmbunătățirea performanțelor motorului 1.9 TDI PD ce echipează autovehiculele

2.1. [anonimizat] a instalației de supraalimentare

2.2. Descrierea motorului 1.9 TDI cu sistem de injecție cu pompă injector

2.3. [anonimizat] a sistemul de injecție cu pompă injector

2.4. Prezentarea generală a sistemului de alimentare cu combustibil

. Sistemul de bujii incandescente

. Diagrama funcțională EDC 16 a motorului 1.9 TDI

. Avantaje și dezavantaje a sistemului de injecție cu pompă injector

2.8. [anonimizat] ( ce pot masura)

([anonimizat]/modificat)

Capitolul 3: [anonimizat] a motoarelor actuale

3.1. Etapa 0 – etapa de pregătire a motorului în vederea efectuării modificărilor constructive proiectate

. Etapa 1 – etapa de modificare parțială

3.3. Etapa 2 – etapa modificărilor de amploare medie a [anonimizat]

3.4. Etapa 3 – etapa de modificare complexă a elementelor constructive și parametrilor funcționale

Capitolul 4: Cercetări practice privind îmbunătățirea performanțelor motorului 1900cmc

Concluzii și propuneri

Bibliografie

Introducere

Domeniul abordat presupune realizările și cercetările remarcabile asupra îmbunătățirii performanțelor motoarelor actuale și a tendințelor ce apar în domeniul creșterii performanțelor motoarelor (tuning). [anonimizat] a avut o creștere rapidă odată cu creșterea populației iar inovațiile în domeniul auto sunt într-o continuă dezvoltare. În același timp s-au modificat și o [anonimizat], pasionații de mașini au început să realizeze modificări tehnologice radicale în vederea creșterii performanțelor motorului.

În capitolul 3 sunt studiate etapele necesare pentru cercetare menite să ducă la creșterea performanțelor motoarelor

Pentru concluzii: [anonimizat], [anonimizat] a asigura o fiabilitate marită a motorului in cazul utilizarii unui combustibil de proasta calitate sau intretinerii precare a masinii ([anonimizat]).

Astfel, [anonimizat]. [anonimizat], aceste limite fiind stabilite de către constructori/proiectanți.

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ȘI REALIZĂRILOR ÎN DOMENIUL ÎMBUNĂTĂȚIRII PERFORMANȚELOR MOTOARELOR DE AUTOMOBILE PRIN MODIFICĂRI TEHNOLOGICE (TUNING) ȘI STABILIREA OBIECTIVELOR DE CERCETARE ALE LUCRĂRII

Performanțele motoarelor actuale

Noul motor turbo supraalimentat TCe cu injecție directă este echipat pe un autovehicul Megane R.S. Această tehnologie este rezultatul unei colaborări între firma producătoare de autovehicule Renault și firma producătoare de autovehicule Nissan.

Fig. 1.1 Motorul Megane R.S

Este un motor de 1.8 litri (1.799 cm3), cu 4 cilindri care generează o putere maximă de 280 cai putere (205 kW) la o turație de 6.000 rot/min și cuplu maxim de 390 Nm, care este disponibil de la 2.400 rot/min până la 5000 rot/min.

Fig. 1.2

Pentru atingerea nivelului de putere si cuplu al motorului, echipele Renault Sport s-au focusat pe dezvoltarea capului cilindrului, a admisiei aerului și a evacuării. Modificări majore au fost aduse capului cilindrului care a fost complet reproiectat. Filtrul de aer cu dublă absorbție a aerului, beneficiază de o îmbunătățire a permeabilității.

Fig. 1.3 Filtru de aer cu dublă absorbție

Turbocompresorul cu volută dublă (twin-scroll) îmbunătățește semnificativ flexibilitatea și răspunsul la turații mici. Avantajul acestuia nu implică numai faptul că presiunea gazelor de evacuare se suprapune între cilindri, ci și faptul că se obține o umplere mai bună a cilindrilor în timpul admisiei și pierderi mai mici ale gazelor în timpul evacuării care se rezumă la presiune de supraalimentare mai mare la aceeași turație a motorului.

Fig. 1.4 Secțiune a galeriilor prin care trec gazele a turbocompresorului twin-scroll

Acest motor emite 155 g CO2 / km, care reprezintă o reducere considerabilă față de generațiile anterioare cu 11% și are un consum de 6,9 l/100km.

Firma producătoare oferă posibilitatea alegerii a două cutii de viteze pentru motorul TCe de 280 cai putere:

Cutie de viteze manuală în șase trepte

Cutie de viteze în șase trepte cu dublu ambreiaj (EDC)

Avantajul acestor cutii de viteze este că scade considerabil consumul de combustibil între 4%-12%, iar datorită ambreiajelor uscate, consumul de combustibil scade chiar până la 20%.

Fig. 1.5 Cutie de viteze EDC (6DCT250)

În continuare voi prezenta performanțele motorului de 3.9 litri V8

Firma producătoare de mașini sport Ferrari, prin tipul motorului F154CB ce echipează Ferrari 488 GTB cu o capacitate cilindrică de 3902 cm3 V8, și două turbocompresoare (twin-turbocharged), a câștigat trei titluri consecutive în 2016, 2017 și 2018 ca motor internațional al anului. Motorul generează o putere de 661 CP (493 kW) la 8.000 rot/min, cuplu de 760 Nm la 3.000 rot/min și un raport de compresie de 9.4:1. Acest tip de motor atinge viteza de 100km/h în 3.0 secunde, 0-200km/h în 8,3 secunde și continuă până ajunge la viteza maximă de 330km/h.

Fig. 1.6 Motorul F154CB

O variantă îmbunătățită a acestui motor este motorul F154CD turbo cu aprindere prin scânteie (MAS) tot de 3.9 litri V8 ce echipează Ferrari F8 Tributo. În comparație cu motorul F154CB, motorul F154CD turbo beneficiază de upgrade, mărindu-se performanțele astfel încât ajunge să dezvolte o putere de 710 CP (530 kW) la 8.000 rot/min, cuplu de 770 Nm la 3,250 rot/min și un raport de compresie de 9.6:1. În urma acestor performanțe crescute, motorul F154CD turbo atinge viteza de 0-100 km/h în 2,9 secunde, 0-200 km/h în 7,6 secunde iar viteza maximă de 340 km/h.

Prin intermediul tabelului 1.1 voi face o analiză comparativă a celor două motoare Ferrari pentru a evidenția performanțele crescute în urma modificărilor aduse.

Tabel 1.1 Analiză comparativă între cele două motoare Ferrari

După cum se observă în tabelul 1.1, motorul F154CD are cu 49 cai putere mai mult decât motorul F154CB, ceea ce înseamnă ca ajunge mai repede la viteza maximă.

Cuplul maxim este, de asemenea, cu 10 Nm mai mare decât la motorul F154CB și este disponibil chiar și la turații mai mici ale motorului.

Raportul de compresie al motorului F154CD este mai mare ceea ce înseamă că și puterea este mai mare iar amestecul de aer și carburant în camera de ardere a unui piston se comprimă mai mult.

Performanțele motorului se observă și în ceea ce ține de viteză întrucât atinge viteza de 100 km/h, respectiv 200km/h într-un timp mai scurt comparativ cu motorul F154CB.

Prin studierea/analizarea/prezentarea performanțelor motoarelor actuale, se vor evidenția subansamblele ce aduc îmbunătățiri motorului în scopul creșterii puterii acestuia.

Se va începe cu instalația de supraalimentare care este compusă din două turbocompresoare paralele cu volută dublă produse de firmele IHI Corporation (Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co.) și Honeywell Turbo Technologies cunoscută drept cea mai populară firmă producătoare de turbosuflante Garret, ce au răcire pe apă și funcționează folosind rulmenți ceramici (ball bearing) cu rolul de a reduce frecarea cu până la 30%. Materialul rulmenților compresoarelor este aluminiu și titan ce aduce avantaje în ceea ce privește reducerea greutății, rezistența mare la temperaturi ridicate și un timp de răspuns foarte mic (turbo lag) datorită rulmenților ceramici ce permit axului să se rotească mai repede datorită frecării reduse.

Instalația de răcire este compusă din două intercoolere aer-aer (air-to-air) ce utilizează fluxul de aer exterior pentru a elimina căldura la viteza a aerului din interior care intră în admisie. Căldura este transferată din “charge” (aer) în mediul exterior (aer). Aerul trece prin intercooler, prin compresor, apoi prin partea frontală a vehiculului prin schimbătorul de căldură (termoflot) și apoi prin galeria de admisie.

În ceea ce privește transmisia, are o cutie de viteze în 7 trepte cu dublu ambreiaj ce este în legătură permanentă cu motorul printr-un ambreiaj. În cazul unei cutii de viteze manuală, în momentul în care se apasă pedala de ambreiaj și se decuplează discul de pe volantă, se face o pauză iar în schimb, la cutiile de viteze cu dublu ambreiaj se află în permanență un ambreiaj cuplat. Calculatorul este programat în așa fel încât în momentul în care simte că viteza crește și că urmează momentul să cupleze într-o treaptă superioară, în același timp decuplează arborele exterior și îl cuplează pe cel interior în treapta a 2-a care era deja preselectată. În momentul în care urmează treapta a 3-a, arborii se schimbă din nou între ei.

Avantajele acestei cutii de viteze sunt:

reducerea consumului de carburanți;

treapta următoare este mereu pre-selectată, ce așteaptă să acționeze cu celălalt ambreiaj;

schimbarea treptelor se face mai rapid în comparație cu o cutie de viteze manuală sau semi-automată;

rezistență crescută la puteri mai mari din partea motoarelor;

diverse tipuri de conducere: manual, confort, sport;

performanță mărită datorită timpului economisit în schimbarea treptelor de viteză.

Pe partea sistemului de evacuare, traseul acesteia a fost extensiv modificat de la turbocompresoare până la tobele de eșapament finale pentru a produce un sunet absolut unic. Rezultatul modificării este un timbru inconfundabil al motorului care este superior atât în ceea ce privește intensitatea cât și calitatea sunetului. Sunetul motorului este mai mare comparativ cu sunetul motorului predecesor GT 488 în special la turații medii/mari. Totodată, are montat un filtru de particule pentru a fi în conformitate cu noile cerințe de omologare.

Noul sistem implementat în vederea creșterii performanțelor dinamice este priza de aer, numită conducta S “S-Duct”, care pătrunde în partea frontală a mașinii și care produce o suplimentară forță de apăsare aerodinamică pe capotă iar fluxurile de aer sunt trimise către partea posterioară a mașinii. O implicație majoră în acest sistem o are și noul spoiler care este de dimensiuni mărite și are o înclinație mai mare ce apasă pe puntea spate în vederea creșterii capacității de apăsare.

Mașina Ferrari F8 Tributo beneficiază de o îmbunătățire asupra calculatorului de comandă al motorului (ECU-electronic control unit). Side Slip Control este un sistem de control al frânării ce are mai mulți algoritmi care funcționează cu calculatorul mașinii (ECU) pentru a calcula necesarul de presiune pentru frânare la fiecare roată cu scopul de a contracara orice pierdere semnificativă a tracțiunii. Acest sistem mai poartă denumirea de programul de control al tracțiunii și stabilității. În plus, Ferrary Dynamic Enhancer este un program electronic ce acționează atât frânele față cât și cele spate pentru a asigura o continuitate în parcurgerea unui drum pentru stabilitate în curbe.

Un salt în ceea ce privește performanțele extreme ale motorului este strategia "Wall Effect". În loc să limiteze treptat turațiile până sa ajungă la turații maxime, această strategie taie chiar la linia roșie de 8.000 rot/min, eficientizând puterea disponibilă în situația de condus în modul dinamic și în consecință, îmbunătățește timpul de tracțiune.

Motorul F154CD turbo a primit contribuții cu privire la reducerea greutății prin soluții eficiente și acestea sunt:

materialul galeriei de evacuare este aliaj de nichel-crom combinat cu aluminiu pentru rezistența la oxidare în timpul temperaturilor crescute, acest material poartă denumirea de „Inconel";

materialul bielelor este din titan;

arborele cotit optimizat și volanta ușurată.

Datorită materialelor din care sunt construite piesele enumerate mai sus și a altor modificări de caroserie, greutatea mașinii este redusă considerabil cu 40 de kilograme.

Un avantaj este poziționarea motorului central, longitudinal în partea posterioară (puntea din spate) în vederea creșterii aderenței și a tracțiunii la plecarea de pe loc.

Posibilități de creștere a performanțelor

Posibilitățile de creștere a performanțelor unui motor termic se realizează prin intermediul tuning-ului care poate îmbunătăți performanțele de fabrică ale motorului.

Există două alternative de tuning care pot fi utilizate separat sau pot fi combinate:

resoftare (software tuning) sau remapare în care ECU comandă următorii parametrii: amestecul de aer/combustibil, aprinderea (la MAS), cantitatea de combustibil injectată, avansul injecției, turația la ralanti, funcționarea EGR și controlul presiunii de supraalimentare (la MAC), în baza unui soft sau mai corect în baza unei hărți sau a mai multor hărți (map). Se creează câte o hartă pentru fiecare parametru comandat iar aceste hărți sunt memorate în ECU;

tuning de motor, care constă în modificarea componentelor motorului prin înlocuirea subansamblelor ce echipează motorul din fabrică cu variante special inventate pentru îmbunătățirea performanțelor, de exemplu: turbosuflantă cu debit mărit de aer, injectoare de capacitate mărită, filtru de aer sport, traseu de admisie modificat, intercooler mărit de asemenea și galeria de evacuare modificată pentru un flux mai mare de gaze.

Pe partea de optimizare a parametrilor din ECU/soft mai sunt posibile câteva modalități de creștere a performanțelor, prin chip tuning, flash tuning, piggy back și stand alone.

Prin chip tuning (circuitul integrat de pe placa principală a ECU responsabil cu procesarea informațiilor primite de la senzorii motorului), se extrage efectiv chipul de memorie din calculator, se citește harta, se optimizează și se scrie noua hartă pe un alt chip care se cositorește înapoi în calculator.

Această modalitate de creștere a performanțelor este utilizată la mașinile fabricate înainte de anii 2000, unde hărțile se află pe memorii care nu se pot rescrie. Avantajele acestei modalități sunt: creșterea puterii generate de motor fără a afecta fiabilitatea acestuia, a turbinei și a celorlalte componente și totodată fără implicații fizice asupra componentelor acestuia prin modificări și un consum scăzut de carburant cu până la 10% față de vechiul consum, deoarece prin creșterea cuplului motor mașina este ajutată să accelereze mai repede iar rulajul pe o porțiune întinsă de drum în regimul de mers constant (unde calculatorul înregistrează cel mai redus consum), duce la economia de carburant. (pentru completări – ceky tuning)

Prin flash tuning, mașinilor fabricate după anii 2000 li s-au introdus memorii flash care pot fi citite și apoi rescrise prin mufa de diagnoză. În domeniul tuningului auto mai poartă denumirea de reflash sau OBD2 și este mult mai sigur și ușor de realizat pentru motor pentru că totul se face prin prisma calculatorului conectat la ECU mașinii prin mufa de diagnoză OBD (On Board Diagnostic). Are avantajul că memoria poate fi ștearsă și rescrisă de multe ori.

Dispozitivul care interceptează semnalele trimise de senzorii motorului: senzorul de masă de aer sau debitmetru (MAF), senzorul de presiune aer admisie (MAP), etc. și le alterează ca mai apoi să le trimită la ECU, se numește Piggy back. Prin urmare păcălește calculatorul că sunt îndeplinite anumite condiții și îl deduce să comande alt avans scânteie (pentru motoarele cu aprindere prin scânteie), alt timp de injecție, etc., pentru obținerea unei puteri mai mari. Așadar, nu intervine în ECU, hărțile de bază din calculator rămân neschimbate iar rezultatele finale sunt diferite deoarece produce hărți false pentru îndeplinirea scopului. Dispozitivul piggy back mai este numit și “mincinosul” care poate fi o simplă cutiuță care modifică semnalul unor senzori dar în același timp poate fi și un calculator foarte complex cu funcții de comandă și control și chiar programabil.

Principiul de bază este același ca la chip tuning sau flash tuning, dar datele trebuie să treacă prin mai mulți pași pentru a atinge același obiectiv.

Stand alone este un calculator programabil ce înlocuiește în întregime calculatorul mașinii din fabrică și care folosește senzorii proprii sau chiar pe cei ai motorului. Aceste sisteme au capacități deosebite, dar sunt foarte dificil de instalat și configurat. Este cea mai scumpă dar și mai complexă modalitate. În general, acestea sunt folosite numai pentru autovehicule cu modificări majore și mașini de curse complet echipate și este nevoie de controlul tuturor parametrilor. Această modalitate de creștere a performanțelor pe partea de ECU se ulilizează rar datorită capacităților moderne ale ECU-urilor care vin deja din fabrică, nemai fiind necesară înlocuirea.

Timpul de lucru poate varia în funcție de modalitatea de creștere a performanțelor menționate anterior, strict/doar pe ceea ce ține de ECU/soft, iar o modificare poate dura de la 20-30 minute până la 3-4 ore.

Se recomandă ca modificarea hărților să se facă după modificarea componentelor mecanice ale motorului pe care pasionatul și le-a planificat la început. În funcție de etapa la care s-a ajuns în vederea creșterii performanțelor motorului, se va folosi o modalitate descrisă mai sus pentru modificarea hărților.

La modificări ușoare pe partea ce ține de admisie și evacuare se va face o rescriere a hărților (remapare) dacă ECU permite sau chip tuning dacă modelul este de generație veche. De asemenea se poate monta și dispozitivul (piggy back) care să inducă în eroare calculatorul mașinii, în acest fel putându-se modifica la valori superioare puterea motorului.

Software-ul modificat corespunzător va aduce motorului un câștig substanțial de putere și cuplu, o ardere a combustibilului mai eficientă și în același timp scăzând consumul de carburant și reducerea emisiilor de noxe (CO2).

La finalul înlocuirii subansamblelor motorului ce concură la creșterea performanțelor motorului (tuning-ul de motor) și modificarea softului, autovehiculul va fi testat pe stand-ul „dyno” în toate regimurile de funcționare.

Dinamometrul a fost conceput pentru a măsura exclusiv puterea și cuplul motorului iar astfel se pot afișa curbele de cuplu, făcând măsurători înainte și după modificările enumerate anterior pentru a afla cu exactitate rezultatele acestora.

În primul rând, un stand „dyno” performant este cel mai folosit instrument de tuning pentru etapele de modificare 2,3.

În al doilea rând, acesta are capacitatea de a simula o anumită încărcare și o poate menține în funcție de cerințe, permițând astfel pasionatului să “mapeze” precis toți parametrii din soft.

În cele din urmă, se pot vedea cele mai mici diferențe de cuplu rezultate în urma fiecărei ajustări în timpul funcționării constante iar resoftarea (software tuning) obținută în final fiind optimă pentru autovehicul și pentru modificările respective.

Exemplificări

În urma fenomenului de tuning auto, adepții acestui domeniu au realizat modificări ale caracteristicilor/parametrilor de funcționare ale motorului în funcție de performanțele dorite și de posibilitățile financiare de care dispun deoarece implică costuri ridicate și voi exemplifica prin realizări practice.

Exemplificarea 1

Motorul 1.9 TDI PD 131 CP, cod motor ASZ ce echipează autovehiculul Volkswagen Bora va trece prin cele 4 etape de modificare ajungând să dezvolte 349 CP (261 kW). În urma modificărilor a obținut un plus de 218 CP și cuplu motor de 638 Nm iar prin intermediul testării pe standul „dyno” se vor arăta aceste valori.

Modificările aduse motorului sunt:

Turbină originală înlocuită cu o turbină hibrid cu rulmenți ceramici, model GTD2872VRK;

Injectoare PD (Pumpe Düse) cu capacitate mărită și duze de injecție Firad +160%, deoarece motorul depășește 350 cai putere;

Ported head;

Supape și arcuri admisie și evacuare supradimensionate;

Axă cu came cu profil mai agresiv pe camele de admisie și camele de evacuare;

Head stud;

Piston machining;

Capul pistonului cu strat ceramic;

Pistoane motor VW 2.0 8v BHW;

Tubular Manifold Coating (Galerie de admisie ceramică);

Intercooler din aliaj, montat frontal, compus din bare și plăci;

Debitmetru de aer de 6 bari;

Traseu evacuare îmbunătățit;

Răcitor de motorină;

Montarea unui filtru de aer AEM 21-2038DK;

Galerie de admisie;

Rescrierea hărților

Fig. 1.7 Motorul Bora 1.9 TDI PD și componentele acestuia

Modificări în vederea creșterii performanțelor s-au realizat și pe partea sistemului de transmisie deoarece ambreiajul, volanta și cutia de viteze originale nu rezistau modificărilor aduse motorului. Acestea au fost înlocuite cu următoarele:

Cutie de viteze secvențială;

Quaife 02M 2WD ATB Helical Limited Slip Diff

Volantă masă simplă;

Ambreiaj VW 02M.

Datorită creșterii puterii și a cuplului motor, ce pot determina obținerea unor caracteristici diferite ale deplasării, este necesar un sistem de frânare îmbunătățit, care să permită menținerea indicilor de frânare la un nivel de siguranță rutieră performant, iar pentru acesta se vor înlocui următoarele piese:

Discuri frână de 312mm și etrieri Porsche 986 puntea față;

Discuri frână ventilate de 256mm Brembo puntea spate;

Plăcuțe frână Brembo Sport HP2000 pentru discurile frână puntea spate.

După cum s-a menționat anterior, în subcapitolul 1.2. Posibilități de creștere a performanțelor, după modificările mecanice și a soft-ului aduse motorului, autovehiculul va fi testat pe stand-ul dyno pentru măsurarea puterii și a cuplului motor, acestea fiind reprezentate printr-un grafic după cum urmează în Figura 1.8.

Fig. 1.8 Grafic pe stand-ul “dyno” VW Bora

În Figura 1.8, se poate observa cum a crescut puterea motorului de la … la …

Exemplificarea 2

Motorul 1.9 TDI PD 131 CP, cod motor ASZ ce echipează autovehiculul Skoda Fabia vRS va trece prin cele 4 etape de modificare ajungând să dezvolte 364 CP ( kW) și cuplu motor de 638 Nm cu ajutorul sistemului ce are la bază o substanță numită oxid de azot (N2O) ce poartă denumirea în domeniul auto de NOS (Nitros Oxyde Systems). Fără ajutorul acestui sistem, motorul ajunge să dezvolte 329,6 CP. În urma modificărilor a obținut un plus de 233 CP iar prin intermediul testării pe standul „dyno” se vor arăta aceste valori.

Modificările aduse motorului sunt:

Turbină originală înlocuită cu o turbină hibrid cu rulmenți ceramici, model GTD2872VRK cu Vacuum Conversion;

Galerie de admisie cu canale tubulare din inox;

Traseul de evacuare din inox;

Chiulasă portată și supape mărite;

Axă cu came cu profil mai agresiv pe camele de admisie și camele de evacuare;

Head Stud kit;

Injectoare PD (Pumpe Düse) cu capacitate mărită și duze de injecție Firad +120%, pentru motorul ce va dezvolta 330CP.

Intercooler montat frontal, compus din bare și plăci pentru a asigura un flux optim de aer;

Eliminarea sistemului de recirculare a gazelor de evacuare EGR (Exhaust Gas Recirculation) și montarea unui traseu din aluminiu;

Montarea unui răcitor al uleiului din motor;

Montarea unui filtru de aer conic AEM;

Înlocuirea debitmetrului de aer cu unul de 6 bari;

Rescrierea hărților;

Montarea sistemului NOS ( Nitros Oxyde System);

Fig. 1.9 Motorul Skoda vRS de 1.9 TDI PD și componentele acestuia

De asemenea, modificări în vederea creșterii performanțelor s-au realizat și pe partea sistemului de transmisie deoarece ambreiajul, volanta și cutia de viteze originale nu rezistau modificărilor aduse motorului. Acestea au fost înlocuite cu următoarele:

Cutie de viteze model 02M, în 6 trepte cu rapoarte mari;

Volantă masă simplă și ambreiaj pentru cutia de viteze în 6 trepte, modelul 02M;

Diferențial cutie de viteze Quaife ATB 02M.

Datorită creșterii puterii și a cuplului motor, ce pot determina obținerea unor caracteristici diferite ale deplasării, este necesar un sistem de frânare îmbunătățit, care să permită menținerea indicilor de frânare la un nivel de siguranță rutieră performant, iar pentru acesta se vor înlocui următoarele piese:

Discuri frână de 312mm, etrieri vRS și plăcuțe frână Tarox Sport puntea față;

Discuri frână ventilate și plăcuțe frână Mintex;

În urma modificărilor mecanice și a soft-ului aduse motorului, autovehiculul va fi testat pe stand-ul dyno pentru măsurarea puterii și a cuplului motor, acestea fiind reprezentate printr-un grafic după cum urmează în Figura 1.10.

Fig. 1.10 Grafic pe stand-ul “dyno” Skoda vRS

În Figura 1.8, se poate observa cum a crescut puterea motorului de la … la …

Exemplificarea 3

În acest subcapitol de gradul 3 se vor prezenta modificările aduse unui motor cu aprindere prin scânteie, diferit față de cele două exemplificări anterior menționate. Motorul B5204T de 2000cm3, ce echipează autovehiculul Volvo dezvoltă 210 CP și cuplu motor de 300 Nm, va trece prin etapele 0, 1 și 2 de modificare ajungând să dezvolte 370 CP și cuplu motor de 400 Nm. În urma modificărilor a obținut un plus de 160 CP iar prin intermediul testării pe standul „dyno” se vor arăta/explica aceste valori.

Modificările aduse motorului sunt:

Înlocuire filtru aer original cu filtru de aer sport conic;

Tobă finală schimbată cu una cu evacuare directă;

Îmbunătățirea sistemului de ventilație a carterului printr-un filtru de ventilație montat la vasul de decantare;

traseul de admisie turbo – intercooler – galerie de admisie izolat cu banda termoizolantă cu pigmenți de zinc;

instalare valvă de suprapresiune “blow-off valve”;

turbină originală înlocuită cu o turbină 16T;

montarea în partea frontală a unui intercooler din aluminiu;

resoftarea ECU-ului pentru a programa calculatorul cu noile valori de presiune

Fig. 1.11 Motorul B5204T Volvo de 2.0 l și componentele acestuia

În momentul finalizării modificărilor mecanice s-a recurs la resoftarea ECU-ului pentru a programa calculatorul cu noile valori de presiune. Aceasta resoftare s-a executat în garajul celor de la RACING CODE. În Figura 1.12 se observă de ce a fost nevoie de resoftare, pe chenarul galben se observă comportamentul motorului înainte ca noua mapă de injecție să fie încărcată complet în memorie.

Fig. 1.12 Grafic pe stand-ul “Dyno” cu softul de programare al ECU

În urma acestor modificări s-au obținut pe dinamometru valorile de 323 CP la roata ceea ce înseamnă 370 CP la volantă conform următoarei formule,

Pr [CP]= 0,90 x Pm – 10 [CP] (Relația 1)

Unde:

Pr= puterea la roată

Pm= puterea motor la volantă

CP= cai putere

. Concluzii

Cu toate că s-a încercat reducerea consumului de combustibil și în același timp păstrarea performanțelor, un compromis a fost făcut datorat costului ridicat de producție al motoarelor, astfel pierzându-se din putere considerabil. De exemplu motorul de 2000cmc de BMW produs în anii 2000-2006 cu 6 cilindri în linie dezvolta 170cp, aceeași opțiune de motorizare dar cu 4 cilindri în linie oferit începând cu anul 2006 dezvolta 160cp dar consumă cu până la 1,5l/100km mai puțin.

Diferența nu e mare dar în cazul altor producători aceasta crește din motive de producție și de software.

Astfel se recurge la modificări pe parte de mecanică și electronică a motoarelor pentru obținerea performanțelor ridicate, ceea ce se rentează atunci când vine vorba de un singur automobil, costuri pe care un pasionat și le permite dar pe care o firmă producătoare nu le poate suporta în timp ce produce zeci de unități pe zi.

Tot prin modificări se obțin performanțe și din motoare de generație mai veche (în general se obțin mai ușor, de aici și tendința de a utiliza motoare produse începând cu anii 2000), pentru a le aduce la standardele actuale.

Obiectiv 1: Creșterea presiunii de supraalimentare a turbinei cu scopul de a mări performanțele motorului. Această primă tendință, se manifestă prin introducerea unei cantități mai mare de aer în cilindri prin creșterea presiunii. Întroducând mai mult aer se va putea introduce și mai mult combustibil ceea ce duce la creșterea puterii motorului.

Obiectiv 2: Creșterea calității aerului (gradului de purificare) a aerului trimis în cilindrii. Deoarece în procesul de comprimare a aerului temperatura turbinei crește, pentru a-i reduce volumul cu scopul de a introduce în cilindrii o cantitate mai mare de aer, acesta poate fi răcit prin intermediul unui răcitor intermediar (intercooler) ce se va monta frontal.

Obiectiv 3: Injectarea unei cantități mai mari de combustibil cu ajutorul unor injectoare cu debit mărit și înlocuirea acestora cu unele Firad.

Pentru realizarea acestor obiective, în capitolul 3 se vor prezenta separat din punct de vedere mecanic și electronic, și pe etape, cele 4 etape de modificare în general, urmând ca în capitolul 4, să se particularizeze pe motorul 1.9 TDI PD 131CP care să treacă prin etapele 0, 1 și 2 de modificare.

Astfel, în urma desprinderii acestor concluzii, se pot formula urmatoarele

CAPITOLUL 2

ANALIZA CONSTRUCTIV-FUNCȚIONALĂ A SUBANSAMBLELOR CE CONCURĂ LA ÎMBUNĂTĂȚIREA MOTORULUI 1.9 TDI PD CE ECHIPEAZĂ AUTOVEHICULELE

2.1. Analiza constructiv-funcțională a instalației de supraalimentare cu aer

În scopul îmbunătățirii performanțelor de putere și moment 0, motorul 1.9 TDI PD ce echipează autovehiculul Volkswagen Golf, a fost echipat din faza de producție sau ulterior, cu instalația de supraalimentare. Principalul scop al turbosuflantei este de a crește presiunea medie efectivă și de a optimiza randamentul termic al motorului, însă, aceasta poate crea și probleme, existând posibilitatea să apară defecțiuni din cauza exploatării greșite.

Instalația de supraalimentare cu turbo-compresor este compusă din: turbină, arbore de antrenare și compresor. Arborele de antrenare fixează turbina și compresorul între ele. În grupul turbinei, gazele de evacuare intră radial și ies axial, iar în grupul compresorului, aerul este aspirat axial și evacuat radial.

Prin supraalimentare, se mărește presiunea încărcăturii proaspete la o valoare care depășește presiunea mediului ambiant p0, cu scopul de a mări densitatea încărcăturii proaspete reținute în cilindrii și totodată mărirea puterii litrice.

În timp ce se mărește presiunea încărcăturii proaspete la intrarea în cilindri are loc creșterea cantității de amestec carburant proaspăt reținut în cilindri motorului și duce în final la sporirea puterii motorului. Plecând de la expresia coeficientului de umplere se poate remarca ce influență are presiunea aerului proaspăt asupra cantității încărcăturii aerului proaspăt reținut în cilindrul motorului.

rezultă:

unde: – coeficient de umplere;

– cantitatea reală de încărcătură proaspătă reținută în cilindrii motorului;

– cantitatea teoretică de încărcătură proaspătă reținută în cilindrii motorului în condițiile în care pierderile gazo-termodinamice sunt nule.

Exprimând relația (3) în funție de parametrii de funcționare ai motorului,

(4)

unde: – coeficient de umplere;

–

– cilindreea unitară;

– numărul de cilindri ai motorului;

– turația motorului;

– numărul de timpi ai motorului.

Prin intermediul Figurii 2.1 se va prezenta schematic construcția și funcționarea sistemului de supraalimentare cu aer.

Figura 2.1 Schema constructiv-funcțională simplificată a instalației de supraalimentare cu aer, 1-racordul de alimentare cu aer; 2-rotorul suflantei; 3-axul turbosuflantei; 4- rotorul turbinei; 5-evacuarea turbine; 6-racordul tubulaturii de evacuare; 7- intrarea gazelor în turbină

Conform Figurii 2.1, instalația de supraalimentare cu turbocompresor funcționează astfel: în urma arderii, gazele de evacuare rezultate au o viteză foarte mare ceea ce înseamnă energie cinetică foarte mare. Acestea intră în galeria de evacuare și apoi trimise către turbină care este pusă în mișcare datorită contactului cu gazele evacuate. Compresorul este antrenat de turbină, care aspiră aer din galeria de admisie și apoi îl comprimă înainte sa fie introdus în cilindru.

Motorul 1.9 TDI PD este echipat cu o turbosuflantă cu geometrie variabilă, iar introducerea și evoluția ei în secolul 21, au dus-o la cel mai ridicat nivel de succes conceptual de creștere a performanțelor motorului. Această tehnologie implică utilizarea unui carter, turbina, care își modifică configurația internă în scopul adaptării la nevoia specifică motorului, de aer comprimat. De asemenea, tehnologia cu geometrie variabilă ajută turbosuflanta să crească puterea motorului în toată gama de variație a rapoartelor și a saltului între trepte, ale cutiei de viteze cu rapoarte fixe.

Prin intermediul Figurii 2.2 se va prezenta modul de funcționare al turbinei cu geometrie variabilă, în două situații. Prima situație în regim turații mici și a doua situație în regim turații mari ale motorului.

a b

regim turații mici regim turații mari

Figura 2.2 Schema constructiv- funcțională a turbei cu geometrie variabilă

1-fluxul pre-turbină al gazelor arse; 2-fluxul dirijat de geometria variabilă în cazul turațiilor scăzute; 3-fluxul de gaze nerestricționat la turații mari; 4-rotorul turbinei; 5-paletele turbine; 6-voleții geometriei variabile; 7-sistem de acționare al geometriei variabile

Turbosuflanta cu geometrie variabilă, ajută la controlul emisiilor de monoxid de azot, prin utilizarea sistemului de refolosire a gazelor arse și reintroducerea lor în camera de ardere a motorului.

Turbina cu geometrie variabilă (TGV) dă voie raportului efectiv al turbinei să se modifice și permite modificarea secțiunii de curgere a gazelor de evacuare în funcție de condițiile de funcționare ale motorului. Acest lucru ușurează folosirea optimă a grupului turbo-compresor, ceea ce duce la creșterea randamentului motorului.

Poziția paletelor la turație scăzută Poziția paletelor la turație crescută a

a motorului motorului

Figura 2.3 Turbină cu geometrie variabilă

Conform Figurii 2.4, se va prezenta construcția turbinei cu geometrie variabilă.

Figura 2.4 Reprezentare axonometrică a turbinei cu geometrie variabilă

1-rotorul; 2-asamblare filetată; 3-ax; 4-pârghie de antrenare

Turbosupraalimentarea se caracterizează prin temperaturi crescute iar din această cauză, amestecul proaspăt care intră în cilindri trebuie să fie răcit prin intermediul unui intercooler. În Figurile 2.4 și 2.5 se vor arăta avantajele utilizării intercooler-ului asupra consumului specific, cuplului și puterii pentru motorul cu aprindere prin compresie cu injecție directă.

Putere [100%] n [rot/min]

Figura 2.5 Comparație între Figura 2.6 Caracteristicile de

caracteristicile de sarcină pentru un motor cuplu și putere pentru un motor

cu aspirație naturală (1), turbosupraalimentat (2), aspirat, turbosupraalimentat și

și turbosupraalimentat cu intercooler (3) turbosupraalimentat cu intercooler

Unde: M1- cuplul motorului aspirat; M2- cuplul motorului turbosupraalimentat; M3- Cuplul motorului turbosupraalimentat+intercooler; P1- puterea motorului aspirat; P2- puterea motorului turbosupraalimentat; P3- puterea motorului supraalimentat+intercooler.

2.2. Analiza constructiv-funcțională a radiatorului de răcire a aerului (intercooler-ului)

În urma analizei mai sus menționate, în finalul subcapitolului, 2.1. Analiza constructiv-funcțională a instalației de supraalimentare cu aer, s-a ajuns la concluzia că temperatura ridicată a aerului admis în motor are efecte negative asupra performanțelor acestuia. Plecând de la această premiză, este deosebit de important înlocuirea radiatorului original de răcire a aerului al autovehiculului, cu un radiator de răcire a aerului (intercooler) de dimensiuni mărite, pentru a face față presiunii crescute a turbinei după ce aceasta a fost îmbunătățită. Cu cât presiunea crește, cu atât și temperatura este mai mare rezultând o densitate mai mică. Prin intermediul radiatorului de răcire a aerului (intercooler-ului) se răcește aerul și devine mult mai dens astfel încât este posibilă o umplere mai mare ce duce la generarea de putere și cuplu mai mare. Cu cât aerul admis este mai rece, va crește randamentul termic al motorului și totodată temperatura postcombustie va scădea, iar uzura pieselor interne ale motorului va fi mai mică ducând la o fiabilitate mai bună.

Scopul intercooler-ului este de a răci aerul, obținând astfel temperaturi mult mai scăzute, cu aproximativ 45-55 de grade, ceea ce înseamă că poate duce la o creștere de putere cu până la 12-13% mai mare.

Radiatorul de răcire a aerului (intercooler-ul) ce se va monta pe autovehiculul Volkswagen Golf este integral fabricat din aluminiu și mai poartă denumirea de intercooler aer-aer, deoarece aerul din exterior este folosit pentru a răci aerul din compartimentul motor. Datorită montajului frontal, acesta va primi un flux de aer mai mare în timp ce mașina se deplasează reușind astfel să răcească mai eficient aerul comprimat de turbină care trece prin traseul de admisie.

Radiatorul de răcire a aerului (intercooler-ul) este compus din bare și plăci și având colectori din aluminiu este mai rezistent la presiuni mari în comparație cu intercooler-ul original al mașinii și astfel oferă posibilitatea de a obține performanțe ridicate.

Figura 2.7 Reprezentare schematică a radiatorului de răcire a aerului (intercooler-ului) aer-aer

Intercooler-ul utilizează un flux mai rece de aer pentru a răci fluxul cald de aer al turbinei, înainte de a intra în cilindri amestecul carburant. Folosind canalele care se deplasează orizontal peste intercooler, aerul trece de la orificiul turbo până la intrarea în intercooler unde este răcit de un flux de aer exterior. Acest flux de aer de răcire interacționează cu schimbătorul de căldură pentru a disipa căldura departe de fluxul de aer al turbinei. Radiatorul de răcire a aerului, în mod esențial, sporește densitatea aerului care intră în cilindri, generând mai multă putere deoarece motorul primește mai mult aer. În același mod în care o cantitate mică de energie este câștigată când este rece afară, un intercooler simulează în mod esențial o temperatură ambiantă mai rece a aerului de intrare, menținând în același timp presiunea ridicată obținută de la turbină.

2.3. Analiza constructiv-funcționlă a sistemului de injecție cu pompă injector (PD- Pumpe Düse)

O pompă-injector este o pompă generatoare de presiune combinată cu o unitate de comandă a valvei solenoidale (supape pentru pompa-injector, cei 4 cilindri, N240, N241, N242, N243) și un injector. Fiecare cilindru al motorului are propria pompă-injector, iar acest lucru înseamnă că nu mai este nevoie de o pompă de înaltă presiune.

Figura 2.8 Injector-pompă (PD – Pumpe Düse)