Modelarea Si Simularea Virtuala A Proceselor Unui Motor CU Aprindere Prin Scanteie

CUPRINS

LISTA DE ABREVIERI

INTRODUCERE

1.1 Importanța temei

1.2 Obiectivul

Structura lucrării

2. NOȚIUNI TEORETICE PRIVIND SIMULAREA MOTOARELOR, STAREA SUPRAFEȚELOR, UMPLEREA M.A.I ȘI GALERIILE DE ADMISIE

2.1 Medii virtuale de proiectare și simulare utilizate în conceperea și dezvoltarea motoarelor cu ardere internă

Analiza numerică a sistemelor mecanice

Analiza ciclului de funcționare a motorului

2.2 Starea geometrică a suprafețelor

2.2.1 Parametrii rugozității

2.2.2 Măsurarea rugozității

2.3 Umplerea normală a motoarelor cu ardere internă în patru timpi

2.3.1 Calculul umplerii

2.3.2 Influențele unor factori asupra umplerii normale

Influențele factorilor de stare

Influențele factorilor funcționali

Influențele factorilor constructive

2.3.3 Fenomene dinamice în conducte

Fenomenul inertial

Fenomenul ondulatoriu

2.4 Galeria de admisie

Analiza posibilităților tehnice de îmbunătățire a performanțelor galeriilor de admisie

MODELAREA ȘI SIMULAREA VIRTUALĂ A PROCESELOR UNUI MOTOR CU APRINDERE PRIN SCȂNTEIE

3.1 Simularea motorului asistată de calculator

3.1.1 Proiectare folosind modele de motor

3.1.2 Reprezentări virtuale folosind modele de motor

3.2 Structura modelului MAS în cadrul programului de simulare

3.3 Măsurători reale

3.4 Configurarea modelului de motor realizat în AVL BOOST 2013.1

3.5 Configurarea modelului de motor realizat în GT-SUITE v7.4.0

3.6 Configurarea modelului de motor realizat în Ricardo WAVE 2014.1

ANALIZA REZULTATELOR OBȚINUTE PRIN SIMULARE

Evaluarea coeficientului de umplere în urma simulării

Evaluarea puterii efective dezvoltată de motor în urma simulării

Evaluarea momentului efectiv al motorului în urma simulării

Evaluarea consumului specific de combustibil în urma simulării

CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

5.1 Concluzii

5.2 Contribuții personale

5.3 Direcții viitoare de cercetare

BIBLIOGRAFIE

ANEXE

LISTA DE ABREVIERI

1D-CFD 1D-Computational Fluid Dynamics, [simularea unimensională a

dinamicii fluidului] –

3D-CFD 3D-Computational Fluid Dynamics, [simularea tridimensională a dinamicii fluidului] –

α, β Constante dependente de tehnologia de prelucrare, clasa de precizie, material, forma suprafeței –

Durata deschiderii supapei de admisie [°RAC]

Cantitatea de gaze reziduale –

ε Adâncimea relativă de secționare –

ηp Lungimea portantă a profilului –

Coeficientului de umplere –

μm Micrometrul –

ρ Funcția standard de autocorelație –

Densitatea aerului [kg/m3]

φ Unghiul de avans [°RAC]

Φ Funcția de distribuție a abaterilor profilului –

Viteza sunetului în fluidul proaspăt [m/s]

bi Lungimea segmentului –

CAD Computer-Aided Design, [proiectare asistată de calculator] –

CFD Computational Fluid Dynamics, [calculul dinamicii fluidului] –

D Alezajul cilindrului

Diametrul scaunului supapei de admisie

Diametrul relativ al orificiului liber

dsa Diametrul interior al scaunului supapei

DIVA Differentiated Variable Air Intake, [diferențiere variabilă a galeriei de admisie] –

dsa Deschiderea supapei de admisie [°RAC]

dse Deschiderea supapei de evacuare [°RAC]

ECU Electronic Control Unit, [unitate de control electronică] –

Criteriul de similitudine al efectului inerțial –

Criteriul adimensional al efectului ondulatoriu –

FEA Finite Element Analysis, [analiza cu element finit] –

FEM Finite Element Method, [metoda elementelor finite] –

FSI Fuel Stratified Injection, [injecție directă stratificată de combustibil] –

Înălțimea relativă maximă de ridicare a supapei

îsa Închiderea supapei de admisie

îse Închiderea supapei de evacuare

kg Kilogram –

kW Kilowatt –

l Lungimea segmentului măsurat pe linia de referință –

MAC Motor cu aprindere prin comprimare –

M.A.I Motor cu ardere internă –

MAS Motor cu aprindere prin scânteie –

MBS Multi-Body System, [sistemul multi-corp] –

mm Milimetru –

n Turația motorului

p Partea din profil orientată către exteriorul corpului și cuprinsă între două puncte de intersecție consecutive ale profilului cu linia de referință –

p0 Presiunea mediului ambiant [N/m2]

pr Presiunea gazelor reziduale [N/m2]

PMI Punctul mort inferior –

PMS Punctul mort superior –

R Rugozitatea

Ra Abaterea medie aritmetică a profilului

Ry Înălțimea maximă a profilului

Rz Înălțimea neregularităților profilului în zece puncte

°RAC Rotații ale arborelui cotit –

Rpm Rotații pe minut –

SLSA Secțiunea litrică a supapei de admisie [m2/l]

Sm Pasul mediu al neregularităților profilului –

sm Lungimea segmentului de linie de referință cuprins între două proeminențe succesive ale profilului –

T0 Temperatura mediului ambiant [K]

tp Procentajul lungimii portante a profilului

Tr Temperatura gazelor reziduale [K]

TFSI Turbo Fuel Stratified Injection, [injecție directă de combustibil stratificată cu supraalimentare] –

v Partea din profil orientată către interiorul corpului și cuprinsă între două puncte de intersecție consecutive ale profilului cu linia de referință –

Vc Volumul de referință al cilindrului [m3]

Vca Volumul conductei [m3]

Vs Cilindreea unitară [m3]

VIM Variable Intake Manifold, [galerie de admisie variabilă] –

VLIM Variable-Length Intake Manifold, [galerie de admisie de lungime variabilă]–

VVT Variable Valve Timing, [sincronizare variabilă a supapelor] –

y Distanța măsurată de la un punct al profilului până la linia de referință –

INTRODUCERE

Acest capitol este o scurtă prezentare a lucrării. Importanța și obiectivul v-a fi descris, precum și un scurt rezumat al structurii lucrării. Introducerea își propune să ofere o imagine de ansamblu asupra lucrării.

Importanța temei

Dorința de a atinge randamente mai ridicate, consumuri specifice de combustibil mai mici și reducerea emisiilor la motoarele moderne cu ardere internă, a devenit punctul central al cercetătorilor și a producătorilor de motoare pentru ultimele decenii. Preocuparea globală asupra resurselor în scădere de combustibili fosili și reglementările de emisii mai stricte a pus presiune asupra industriei de motoare pentru a produce soluții practice, economice și ecologice pentru a alimenta vehiculele moderne.

De-a lungul anilor, o varietate de abordări diferite au fost luate pentru a atinge o îmbunătățire a eficienței și de reducere a emisiilor în modele de motoare existente. Introducerea noilor tehnologii au jucat un rol important în progresele făcute în această tehnologie veche de un secol.

Materiale mai ușoare și mai puternice, procese de fabricație avansate, îmbunătățirea modelului camerei de ardere, tehnologii avansate de post-tratare evacuare, și noi mijloace de calcul pentru proiectarea, analiza și optimizarea motorului cu ardere internă sunt doar câteva dintre progresele care s-au făcut pentru a realiza îmbunătățiri semnificative în performanță, eficiență și emisii.

O astfel de abordare o prezintă posibilitățile tehnice de îmbunătățire a performanțelor galeriilor de admisie datorită modificării geometriei, a materialului din care este confecționată galeria, și starea suprafeței traseului de admisie. În această lucrare vom aborda influența rugozității asupra acestor performanțe ale sistemelor de admisie.

Obiectivul

Scopul acestei lucrări este analiza prin simulare, cu ajutorul unor programe de simulare a motorului, a influenței rugozității suprafețelor a două galerii de admisie, diferite din punct de vedere a stării suprafeței, asupra umplerii unui motor cu ardere internă, precum și să cuantifice orice efecte ar putea avea asupra performanțelor motorului.

Acest studiu va încerca, de asemenea, să contribuie la informațiile disponibile referitoare la influența rugozității suprafeței galeriei de admisie asupra umplerii.

1.3 Structura lucrării

Acestă lucrare este structurată în cinci capitole, organizate după cum urmează:

Capitolul 1 evidențiază importanța temei abordate, obiectivul urmărit precum și modul în care este structurată această lucrare.

Capitolul 2 începe cu prezentarea programelor de simulare a motorului, apoi analizează cunoștințele existente cu privire la starea suprafețelor și rugozitate, parametrii de umplere și câteva cunoștințe de bază despre sistemele de admisie a aerului.

Capitolul 3 descrie importanța programelor de simulare a motorului, interfața și modul în care este organizat modelul de motor din programul GT-SUITE. În continuare este prezentat aparatul de măsură, rugozimetrul, și valorile obținute de la măsurătorile celor două galerii de admisie. Cu valorile obținute se începe modelarea și configurarea cu datele caracteristice motorului analizat.

Capitolul 4 prezintă rezultatele obținute în urma simulării 1D. Valorile unor parametri de performanță ai modelului de motor sunt surse de comparație între cele trei programe de simulare virtuală a motorului cu ardere internă.

Capitolul 5 încheie această lucrare prezentând concluziile, contribuțiile personale rezultate în urma demersului teoretic și simulărilor în mediul virtual precum și direcțiile de cercetare viitoare.

NOȚIUNI TEORETICE PRIVIND SIMULAREA MOTOARELOR, STAREA SUPRAFEȚELOR, UMPLEREA M.A.I ȘI GALERIILE DE ADMISIE

2.1 Medii virtuale de proiectare și simulare utilizate în conceperea și dezvoltarea motoarelor cu ardere internă

Pe parcursul anilor simularea motorului a câștigat continuu în dependență, dar în ultimele două decenii creșterea rapidă a performanței calculatorului s-a confruntat cu complexitatea în creștere a procesului de proiectare a motorului prin furnizarea de soluții susținute de programe sofisticate de simulare. În prezent aplicarea unor programe de simulare, care oferă o încredere dezvoltării virtuale a motorului reprezintă una dintre cele mai mari provocări în dezvoltarea viitoarelor motoare cu ardere internă [10].

Evoluția continuă a motoarelor cu ardere internă, ​​ghidată prin reducerea consumului de combustibil și limite de emisii poluante, aduce nevoia de a proiecta un sistem de control al motorului, care este tot mai complex și rafinat, capabil să gestioneze toate posibilele condiții de funcționare a motorului. Sistemul motor este, de asemenea, mult mai complex în urma adaosului de subsisteme termodinamice, hidraulice și electro-mecanice. Simularea motorului prin intermediul unor modele detaliate este de un ajutor esențial în proiectarea sistemului de control și a subsistemelor. Astfel, se evită o parte a experimentării și reduce costurile de proiectare, și se poate efectua o analiză detaliată pentru a caracteriza fenomenele care au loc în interiorul motorului.

În decursul anilor numeroase instrumente de simulări cu diferite grade de complexitate, versatilitate, capacitatea predictivă și timp de răspuns au fost dezvoltate în scopul de a analiza subiecte orientate care au fost recunoscute ca fiind relevante pentru operarea si apoi în consecință, pentru îmbunătățirea motoarelor cu ardere internă. Fiecare dintre aceste instrumente de simulare găsește aplicarea acestuia în procesul de proiectare a motorului în combinație cu altele, în funcție, de prioritățile stabilite în procesul de dezvoltare, cu privire la experiența producătorilor și resursele disponibile.

Cele mai importante instrumente de simulare disponibile pentru proiectarea motoarelor pot fi împărțite în două principale categorii [4]:

analiza numerică a sistemelor mecanice;

analiza ciclului manței calculatorului s-a confruntat cu complexitatea în creștere a procesului de proiectare a motorului prin furnizarea de soluții susținute de programe sofisticate de simulare. În prezent aplicarea unor programe de simulare, care oferă o încredere dezvoltării virtuale a motorului reprezintă una dintre cele mai mari provocări în dezvoltarea viitoarelor motoare cu ardere internă [10].

Evoluția continuă a motoarelor cu ardere internă, ​​ghidată prin reducerea consumului de combustibil și limite de emisii poluante, aduce nevoia de a proiecta un sistem de control al motorului, care este tot mai complex și rafinat, capabil să gestioneze toate posibilele condiții de funcționare a motorului. Sistemul motor este, de asemenea, mult mai complex în urma adaosului de subsisteme termodinamice, hidraulice și electro-mecanice. Simularea motorului prin intermediul unor modele detaliate este de un ajutor esențial în proiectarea sistemului de control și a subsistemelor. Astfel, se evită o parte a experimentării și reduce costurile de proiectare, și se poate efectua o analiză detaliată pentru a caracteriza fenomenele care au loc în interiorul motorului.

În decursul anilor numeroase instrumente de simulări cu diferite grade de complexitate, versatilitate, capacitatea predictivă și timp de răspuns au fost dezvoltate în scopul de a analiza subiecte orientate care au fost recunoscute ca fiind relevante pentru operarea si apoi în consecință, pentru îmbunătățirea motoarelor cu ardere internă. Fiecare dintre aceste instrumente de simulare găsește aplicarea acestuia în procesul de proiectare a motorului în combinație cu altele, în funcție, de prioritățile stabilite în procesul de dezvoltare, cu privire la experiența producătorilor și resursele disponibile.

Cele mai importante instrumente de simulare disponibile pentru proiectarea motoarelor pot fi împărțite în două principale categorii [4]:

analiza numerică a sistemelor mecanice;

analiza ciclului de funcționare a motorului.

Analiza numerică a sistemelor mecanice

Analizele numerice ale sistemelor mecanice sunt realizate de către două categorii principale de instrumente de simulare [4]:

sistemul Multi-Body (MBS);

simulare prin metoda elementelor finite (FEM).

Sistemul Multi-Body (MBS)

În sistemul MBS (multi-corp) abordarea componentelor mecanice sunt modelate ca o sumă de sisteme relativ simple, care sunt legate între ele printr-o structură dinamică. Datorită acestei discretizări grosiere, o simulare MBS permite într-o primă etapă a calcula dinamic și cinematic obiectul de interes, cu timpi de calcul moderați, iar în a doua etapă, pornind de la o estimare a proprietăților structurale ale componentelor care contribuie (destul de dificil pentru geometrii complexe), este posibil să se calculeze tensiunile și deformațiile în fiecare parte a sistemului. De exemplu, simulările multi-corp sunt fiabile în determinarea atât a forțelor de încovoiere și torsiunea maximă într-un arbore cotit pe întreaga gamă de turație a motorului și de încărcare, astfel încât un design preliminar al arborelui cotit poate fi efectuat într-un timp scurt de dezvoltare.

MBS este o abordare foarte stabilă pentru analiza mecanică a întregului motor, care permite în primul rând, o estimare generală a solicitărilor mecanice, apoi pentru a investiga eventualele puncte slabe ale sistemului motor se pot efectua modificări. Pe parcursul anilor instrumente suplimentare au fost puse în aplicare în MBS simulări care permit să se estimeze vibrații, acustică, etc.

În funcție de gradul de discretizare, ipotezele, calibrarea și complexitatea problemei, aceste instrumente suplimentare au atins niveluri diferite de maturitate, cu toate acestea punerea lor în aplicare este întotdeauna nevoie de investigații preliminare [4].

Metoda elementelor finite (FEM)

În abordarea metodei elementelor finite (FEM), într-un mod similar ca în structuri moleculare, dar pe o scară spațială mai mare, componenta mecanică de interes este fin discretizată într-o rețea de entități elementare. Aici grila reproduce în detaliu greutatea și forma piesei originale cu aceleași proprietăți mecanice și structurale (momente de inerție, rigiditate, etc).

De data aceasta metoda permite un calcul punctual a tensiunilor locale și deformărilor din fiecare parte din componenta mecanică și în caz de geometrii complexe.

Datorită acestei abordări o proiectare rafinată a fiecărei componente a motorului poate fi realizată. Prin urmare, aplicarea de simulări FEM se limitează la îmbunătățirea pieselor din motoare, în cazul în care, fără îndoială, fiabilitatea rezultatelor este foarte mare atunci când definirea condițiilor de frontieră (mecanice și termice) sunt corecte [4].

Analiza ciclului de funcționare a motorului

Similar cu investigațiile numerice ale sistemelor mecanice, ciclul de funcționare a motorului poate fi efectuat în două categorii principale de instrumente de simulare:

analiza proceselor reale de lucru;

simularea tridimensională a dinamicii fluidului (3D-CFD).

În proiectarea motoarelor sunt și simulări unidimensionale a dinamicii fluidului (1D-CFD), care sunt o combinație a celor două abordări introduse mai sus.

Simularea unidimensională a dinamicii fluidului este o combinație a celor două , analiza procesului real de lucru pentru cilindru și o simulare dinamică a fluidului simplificată (unidimensional rezolvată de-a lungul direcției de curgere în conducte), atât pentru admisie cât și pentru sistemul de evacuare, chiar și pentru sisteme mai complexe, cum ar fi supraalimentarea [4].

În ultimii zece ani simulările 1D-CFD au devenit un instrument de încredere în dezvoltarea motorului și sunt capabile să găsească soluții mai bune în special în supraalimentare, setarea timpilor supapelor, proiectare galeriilor de admisie și evacuare, etc. În ceea ce privește

complexitatea geometrică a componentelor motorului investigate pot fi reduse în mod corespunzător sau discretizate într-un aspect unidimensional de subsisteme.

Utilizarea programului unidimensional de simulare (1D CFD), este larg răspândită în întreaga industrie de dezvoltare a motorului. Această metodă de simulare permite caracterizarea și funcționarea motorului fără a fi necesară procesarea de înaltă tehnologie și calcule consumatoare de timp [4].

Momentan principalele programe de simulare motor utilizate în industria de azi sunt: AVL BOOST, GT-SUITE și Ricardo WAVE. Programele sunt similare în scop și funcționalitate.

Aceste programe de simulare 1D necesită parametri detaliați de intrare pentru a simula funcționarea motorului ca un întreg, mai degrabă decât folosind modele care vizeaza anumite sub-sisteme de motoare. Fiind că toate componentele motorului lucrează împreună ca un sistem, este avantajos de a modela întregul sistem motor și nu subsisteme individuale [17].

Funcționarea de bază a programelor de simulare a motorului analizează rețelele de curgere compuse din conducte, racorduri, și orificii. În cadrul acestei rețele, cilindri, turbosuflante / compresoare, și pompe pot fi introduse. Programele pot simula motoarele cu ardere internă precum și alte sisteme de curgere cu lichid compresibil. După ce o simulare a finalizat, programele de postprocesare permit o analiză detaliată a operațiunii de simulare a motorului. Capacitățile generale ale programelor se extind dincolo de simularea funcționării motorului, acestea includ: analiza acustică, analiza termică, combustie, simularea emisiilor poluante și simularea motoarelor hibride.

AVL BOOST este un program de simulare creat pentru modelarea completă a motorului cu ardere internă. BOOST a fost dezvoltat de către departamentul termodinamică aplicată, din cadrul firmei AVL. Programul BOOST este un sistem multi-modul care poate lucra în timp real și poate simula condițiile variabile de funcționare a motorului. BOOST conține componente dedicate, elemente de bază pentru a asigura flexibilitate în modelarea motorului. Aceste elemente includ cilindrii, filtre de aer, catalizatori, intercoolere, turbosuflante, modele avansate de joncțiune, si multe altele.

Ricardo WAVE este un program de simulare 1D de la Ricardo Software. Acesta este utilizat în întreaga lume în sectoare de activitate, inclusiv autoturisme, motociclete, camioane, locomotive, sporturi cu motor, marine și generarea de energie electrică. WAVE permite simulări de performanță care urmează să fie efectuate pe baza pe aproape orice configurație de admisie, de ardere și sistem de evacuare, și include un model de tren de rulare pentru a permite simulare completă a vehiculului.

GT-SUITE este un produs al Gamma Technologies, o companie de software de specialitate care este axată exclusiv pe motor și industria vehiculelor. GT-SUITE se ocupă cu o mare varietate de aplicații tehnice de vehicule și de motoare.

Acestea includ:

     • modelarea performanței motorului (GT-POWER)

     • analiza măsurării presiunii în cilindri

     • acustica admisiei și evacuării

     • post-tratare de evacuare

     • simulare în timp real

     • dinamica vehiculului (cicluri de acționare, transmisii)

     • modelarea Transmisie

     • vehicule hibride și electrice, celule de combustibil

     • răcirea motorului

     • management termic

     • managementul energiei vehiculelor

     • analiza modul de răcire sub capotă (3-D cu COOL3D)

     • aer condiționat

     • recuperare a căldurii de evacuare

     • circuite de ungere si lagăre

     • sisteme de injecție de carburant

     • hidraulică si pneumatică

     • cinematica și dinamica distribuției / arborelui cu came

     • cinematica și dinamica arborelui cotit (inclusiv de echilibrare și rulmenți)

     • roti dințate, lanțuri și curele de transmisie.

2.2 Starea geometrică a suprafețelor

Este evident că oricât de atent este prelucrată o suprafață, abaterile de la forma geometrică teoretică a ei vor exista întotdeauna. Uzual aceste abateri se împart în trei categorii, care se suprapun, formând suprafața reală:

abateri de formă (de la planeitate, cilindricitate, circularitate etc.), care definesc erorile inerente datorate procesului tehnologic;

ondulații, care sunt în general periodice, cu pasul de câteva ori mai mare decât cel al rugozităților; ele se datorează în special vibrațiilor nedorite ale mașinilor unelte;

rugozitățile sunt neregularități în general neperiodice, cu pasul mai mic decât al ondulațiilor, fiind datorate interacțiunii inerente sculă-piesă din procesul tehnologic.

Trebuie remarcat că adesea nu se poate face o distincție clară între cele trei tipuri de abateri. Din punct de vedere al lucrării, de interes este microtopografia suprafeței, care include cu siguranță rugozitatea [1].

Rugozitatea suprafețelor este definită ca ansamblul neregularităților care formează relieful suprafețelor reale, al căror pas este relativ mic în raport cu adâncimea lor. Rugozitatea suprafețelor, împreună cu parametrii fizico-chimici ai materialului, definesc calitatea suprafețelor pieselor (stratul superficial al acestora). În inginerie, rugozitatea joacă un rol important pentru caracterizarea modului de interacțiune a unui obiect cu mediul înconjurător [18].

Rugozitatea mare a unei suprafețe înseamnă în general un coeficient de frecare mai ridicat, o uzură mai rapidă și, uneori, o coroziune mai timpurie, iar rugozitate mică înseamnă aspect mai plăcut. Pe de altă parte, obținerea unei rugozități mai mici implică cheltuieli de producție crescute și, ca urmare, alegerea unei rugozități optime este deseori o chestiune de compromis performanță-cost [14].

În general, rugozitatea este desemnată prin simbolul R, urmat de un indice literal pentru a preciza varianta utilizată în calcul, de ex. Ra, Rmax, Rt, Rz, Rpm, Ry. În toate cazurile, unitatea de măsură a rugozității este micrometrul (μm).

2.2.1 Parametrii rugozității

Având în vedere complexitatea profilului suprafețelor ca și dificultatea măsurării acestuia, sunt necesare metode prin care, pornind de la măsurătorile profilului real pe eșantioane restrânse putem defini principalele caracteristici ale întregii suprafețe cu o probabilitate acceptabilă. În prealabil este utilă trecerea în revistă a principalelor elemente geometrice utile în descrierea profilului real al suprafețelor, așa cum sunt ele definite în standardele internaționale [18]:

• suprafața reală = suprafața care delimitează corpul, separându-l de mediul înconjurător (Fig. 2.1);

• suprafața geometrică = suprafața teoretică ideală, neglijând toate categoriile de erori, a cărei formă este definită prin desenul tehnic (Fig. 2.1);

• profil real = conturul (profilul) rezultat din intersecția suprafeței reale cu un plan convențional definit în raport cu suprafața geometrică (Fig. 2.1);

• linia de referință = linia aleasă în mod convențional pentru a servi la evaluarea cantitativă a profilului real (Fig. 2.2);

• lungimea de bază, l = lungimea segmentului măsurat pe linia de referință, folosit pentru evaluarea profilului real (Fig. 2.2);

• abaterea profilului, y = distanța măsurată de la un punct al profilului până la linia de referință (Fig. 2.2);

• proeminența locală = partea din profil cuprinsă între două minime adiacente ale profilului (Fig. 2.1);

• gol local = partea din profil cuprinsă între două maxime adiacente ale profilului (Fig. 2.1);

• proeminența profilului (notată cu indicele “p”) = partea din profil orientată către exteriorul corpului și cuprinsă între două puncte de intersecție consecutive ale profilului cu linia de referință (Fig. 2.2);

• golul profilului (notat cu indicele “v”) = partea din profil orientată către interiorul corpului și cuprinsă între două puncte de intersecție consecutive ale profilului cu linia de referință (Fig. 2.2);

• linia proeminențelor profilului (linia exterioară a profilului) = linia paralelă cu linia de referință, care, în limitele lungimii de bază trece prin punctul cel mai de sus al profilului (Fig. 2.2);

• linia golurilor profilului (linia interioară a profilului) = linia paralelă cu linia de referință, care, în limitele lungimii de bază trece prin punctul cel mai de jos al profilului (Fig. 2.2);

• pasul neregularităților profilului, sm = lungimea segmentului de linie de referință cuprins între două proeminențe succesive ale profilului (Fig. 2.2).

În privința linei de referință există mai multe variante de definire dintre care cele mai des

utilizate sunt:

∗ linia medie care divizează profilul astfel încât, în limitele lungimii de bază, suma pătratelor abaterilor profilului să fie minimă:

∗ linia centrală care divizează profilul astfel încât, în limitele lungimii de bază, suma ariilor definite de profil deasupra acestei linii să fie egală cu suma ariilor definite de profil sub această linie [5].

În raport cu linia de referință aleasă se definesc principalii parametri ai stării geometrice a

suprafețelor [1]:

Abaterea medie aritmetică a profilului, Ra, este cel mai cunoscut parametru, fiind cel indicat și pe desenele de execuție; definește valoarea medie a abaterilor profilului luată în valoarea absolută, pe întreaga lungime de bază:

Înălțimea maximă a profilului, Ry, definește distanța dintre linia proeminențelor profilului și linia golurilor profilului, în limitele lungimii de bază, fiind un factor foarte important de decizie tribologică:

Înălțimea neregularităților profilului în zece puncte, Rz, este media valorilor absolute ale înălțimilor celor mai de sus cinci proeminențe și ale adâncimilor celor mai de jos cinci goluri, măsurate în limitele lungimii de bază (Fig. 2.4), față de o paralelă la linia de referință care nu intersectează profilul:

Trebuie subliniat că toți acești parametri caracterizează doar abaterile profilului în direcție verticală; ei nu oferă informații despre forma și mărimea asperităților ca și despre așezarea lor în spațiu astfel că e posibil ca suprafețe reale cu forme foarte diferite între ele să aibă același Ra.

Astfel apare necesitatea unor parametri caracteristici suplimentari care să diferențieze diferitele forme ale suprafeței reale în direcție longitudinală.

Printre cei mai folosiți sunt [18]:

• pasul mediu al neregularităților profilului, Sm = valoarea medie a pașilor neregularităților profilului, măsurați pe linia de referință, în limitele lungimii de bază;

• lungimea portantă a profilului, ηp la un anumit nivel de secționare, c:

unde bi reprezintă lungimea segmentului cuprins în interiorul corpului rezultat din secționarea profilului cu o dreaptă paralelă cu linia exterioară, aflată la distanța c față de aceasta din urmă, spre interiorul profilului (Fig. 2.5). Uzual se folosește mărimea relativă a lungimii portante, denumită procentajul lungimii portante a profilului:

Pentru definirea modului de comportare al suprafeței reale la contactul cu o suprafață mai dură și perfect plană este utilă curba de portanță a profilului (curba Abbot-Firstone) în care se reprezintă procentajul lungimii portante, tp, în funcție de adâncimea relativă de secționare, definită de relația (Fig. 2.5):

Alura curbei de portanță este strâns corelată cu aspectul profilogramei și cu tehnologia de prelucrare a suprafeței. Ea poate fi modelată analitic, pe porțiuni, cu o ecuație de forma:

α și β fiind constante dependente de tehnologia de prelucrare, clasa de precizie, material, forma suprafeței.

În final trebuie menționat că există și modalități mai complexe de analiză a suprafețelor reale, bazate pe prelucrări statistice. În acest caz doi parametri sunt mai importanți:

• funcția de distribuție a abaterilor profilului, Φ.

• funcția standard de autocorelație, ρ.

În Anexa 1 sunt indicate plajele de valori ale rugozității Ra care se pot obține prin diverse procedee uzuale de prelucrare a metalelor[18].

2.2.2 Măsurarea rugozității

În trecut, rugozitatea era apreciată manual, prin comparație cu mostre etalon de rugozitate. Apoi s-a trecut la așa-numitele profilometre, care "palpează" suprafața și ridică profilul (traseul) suprafeței. Reprezentată grafic la scară, pe o hârtie milimetrică, curba rezultată era analizată de un lucrător cu experiență care plasa "linia mediană" și estima valoarea rugozității [14].

Astăzi întreaga operație se face automat, utilizând metode statistice aplicate unui calculator, sau un aparat specializat (rugozimetru) care afișează direct valorile dorite ale parametrilor de rugozitate.

Metodele de măsurare a rugozității se împart în:

metode cu contact (cu palpator mecanic);

metode fără contact (optice, magnetice, cu radiații etc.).

2.3 Umplerea normală a motoarelor cu ardere internă în patru timpi

În timpul admisiei fluidul proaspăt pătrunde în cilindrul motorului, motiv pentru care procesul mai poartă denumirea de umplere. În realitate amestecul carburant pătrunde în cilindru din momentul deschiderii supapei de admisie până la închiderea acesteia, cu condiția ca presiunea în cilindru să fie mai mică decât cea din galerie. Procesul de admisie poate fi de două feluri, admisie normală când umplerea cilindrului cu fluid proaspăt se face sub acțiunea mediului ambiant, asociată cu efectul de deplasare a pistonului, și admisie forțată, când este utilizat un sistem de supraalimentare. Aerul, înainte de a pătrunde în cilindru are presiunea și temperatura mediului ambiant. Presiunea în cilindru la sfârșitul admisiei este influențată de pierderile hidrodinamice de pe traseu [2].

În general, traseul de admisie al unui MAS cu injecție de combustibil este compus din filtrul de aer cu carcasa aferentă, tubulatura montată între filtru și corpul clapetei de accelerație, obturatorul cu rolul de a regla cantitatea de fluid proaspăt care ajunge în motor, colectorul și galeria de admisie, la capătul căreia se găsește supapa de admisie cu rolul de a închide și deschide orificiul de trecere dintre galeria practicată în chiulasă și cilindru. Rezistențele hidraulice principale de pe traseu sunt filtrul de aer, clapeta de accelerație și supapa sau supapele de admisie [8].

Diagrama care reprezintă variația presiunii în cilindru în perioada de schimb de gaze, evacuare și umplere, se numește diagrama de pompaj (Fig. 2.8).

Aceste diagrame prezintă puternice variații ale presiunii datorate undelor de presiune. Din figura 2.8 se poate observa că schimbarea gazelor începe cu evacuarea. Supapa de evacuare se deschide cu un avans față de punctul mort. În zona dintre acest moment și punctul mort are loc un prim început de evacuare al gazelor, care se realizează prin evacuare liberă, presiunea din cilindru fiind mai mare decât cea exterioară [2].

În această fază gazele de ardere vor curge cu viteza sunetului sau apropiată de cea a sunetului și se va evacua o cantitate importantă de gaze. Această evacuare liberă este foarte importană și pentru realizarea unui randament ridicat al ciclului, scăderea de presiune din această perioadă conducând la o presiune de evacuare mai scăzută și un lucru mecanic pierdut mai mic.

A doua fază a evacuării are loc ca urmare a deplasării pistonului spre PMI (punct mort inferior), perioadă în care volumul cilindrului se micșorează (evacuare forțată). Viteza de curgere este subsonică și presiunea din cilindru se reduce puternic. În această zonă lucrul mecanic efectuat este negativ, variația de volum fiind negative [2].

Faza a treia se numește post evacuare și are loc de la punctul mort inferior până la închiderea supapei de evacuare. Aceasta nu este atât de importantă dar face ca și gazele de evacuare, a căror presiune mai crește puțin, să fie evacuate. De remarcat că în această perioadă, pentru motoarele aspirate, este posibil ca o anumită cantitate, redusă, de gaze arse să treacă în galeria de admisie [2].

Deși teoretic umplerea, admisia fluidului motor în cilindru poate începe odată cu deschiderea supapei de admisie cu un avans față de PMI, practic aceasta începe după acest moment. Aceasta se datorează faptului că, pentru a realiza umplerea, este necesar ca presiunea din cilindru să scadă sub cea din exterior. Faza principală a umplerii are loc la deplasarea pistonului din poziția în care se atinge egalitatea de presiuni, până în momentul PMS. Viteza de curgere pe lângă supapă este de circa 60-90 [m/s][2].

Ultima parte este cea de post umplere, care are loc după punctul mort până când se atinge în cilindru o presiune egală cu cea atmosferică. Deși în punctul mort superior (PMS) viteza pistonului este nulă, fluidul proaspăt are încă o viteză de curgere ridicată între momentul în care pistonul începe cursa de comprimare și închiderea supapei de admisie, în cilindru mai pătrunde o masă importantă de fluid proaspăt [2].

Gradul de postumplere este raportul dintre cantitatea de fluid proaspăt care pătrunde în cilindru după PMS și cantitatea totală de fluid reținută în cilindru în procesul de admisie.

La sarcini și turații ridicate, în general gradul de postumplere este pozitiv, iar la sarcini și turații reduse acesta are valori negative.

Această ultimă parte este necesară deoarece secțiunile de curgere oferite de supapă sunt mici (supapa se închide), iar diferența de presiuni este favorabilă continuării umplerii.

2.3.1 Calculul umplerii

Calculul umplerii urmărește presiunea temperaturii și presiunii de admisie, precum și a coeficientului de umplere. Se consideră un proces de tipul prezentat în figura 2.9.

În PMS se găsesc gaze reziduale la presiunea pr și temperatura Tr în motor fiind introdus fluid proaspăt (aer sau amestec aer-combustibil) la parametrii T0 și p0. Temperatura de admisie Ta corespunzătoare punctului a se obține din bilanțul energetic al umplerii. Acest bilanț exprimă efectul cedării de căldură de către gazele reziduale și preluarea acestuia de către fluidul motor proaspăt. Cu notațiile Np număr de kilomoli fluid proaspăt Nr număr de kilomoli ai gazelor reziduale , , căldurile molare specifice ale fluidului proaspăt, gazelor reziduale și ale amestecului (punctul a) ΔT variația de temperatură a fluidului proaspăt datorită încălzirii de la piese și vaporizării combustibilului se obține ecuația [2]:

Din această relație de echilibru și cu neglijarea diferențelor dintre căldurile specifice se obține:

Unde este coeficientul gazelor reziduale dat de relația:

La MAS la sarcini totale Ta = 350…400 [K], iar la MAC temperatura este ceva mai redusă. Aceasta se datorează și faptului că la motoarele diesel, fluidul motor proaspăt este constituit din aer, se evită încălzirea traseului de admisie[2].

Presiunea de admisie se poate calcula, în mod aproximativ, cu relația:

în care este aria secțiuni libere controlate de supapa de admisie; Vs cilindreea; n turația motorului; ξ rezistența gazodinamică a traseului de umplere; k coeficient de proporționalitate; g accelerația gravitațională.

Această relație poate fi scrisă sub forma:

unde ka este un coeficient global, Asm aria secțiunii medii controlată de supapa de admisie.

Pierderile de pe traseul de admisie depind de densitatea fluidului și de factori funcționali cum ar fi turația motorului care influențează direct viteza de curgere. Nivelul relativ al pierderilor în timpul procesului de admisie este dat de raportul dintre debitul de fluid proaspăt în condiții reale și debitul în condiții ideale, fără pierderi sau alte influențe. Acest raport se notează cu si poartă denumirea de coeficient de umplere sau randament al umplerii, dat de rela]ia:

unde este numărul de kilomoli ai fluidului proaspăt, iar este numărul de kilomoli care ar putea fi reținută în cilindru în absența pierderilor gazodinamice și termice, la presiunea p0 și temperatura T0.

Mărimea Na se determină considerând că numărul de kilomoli în punctul a este format din Np kilomoli de fluid proaspăt și Np kilomoli de gaze reziduale:

Unde

Cu γr s-a notat coeficientul gazelor arse reziduale aflate în amestecul proaspăt, iar din relațiile și , se obține expresia finală a coeficientului de umplere:

Valorile coeficientului de umplere sunt cuprinse între 0.75…0.85 la MAS în patru timpi cu admisie normală iar între 0.85…0.95 la MAC supraalimentat [2].

O mărime importantă pentru aprecierea perfecțiunii procesului de umplere este lucrul mecanic de pompaj care este de valoare minimă când mărimile , pr, și au valori optime.

Unde este aria b-r-r'-a'-b', iar este aria a-r-r'-a'-a în figura 2.8 [2].

Gradul de umplere reprezintă un criteriu de perfecțiune a procesului de admisie, iar cu cât are o valoarea mai ridicată cu atât pierderile sunt mai mici. El este un criteriu de comparație a sistemelor de admisie a motoarelor cu ardere internă.

2.3.2 Influențele unor factori asupra umplerii normale

Influențele factorilor care influențează procesele din motoare se împart în trei categorii:

– Influențele factorilor de stare;

– Influențele factorilor funcționali;

– Influențele factorilor constructivi.

Influențele factorilor de stare

Factori de stare ce influnțează desfășurarea ciclului funcțional al unui motor cu ardere internă, sunt temperatura mediului ambiant, presiunea mediului ambiant, viteza fluidului proaspăt, cantitatea de gaze reziduale și turbulența.

Temperatura mediului ambiant (T0):

Temperatura mediului ambiant influențează atât densitatea aerului cât și randamentul umplerii [2], deoarece densitatea aerului este invers proporțională cu temperatura mediului ambiant conform:

Astfel la creșterea temperaturii scade consumul orar de aer iar creșterea temperaturii mediului ambiant duce la scăderea puterii motorului, după cum se vede și în figura 2.10.

Presiunea mediului ambiant (p0):

Densitatea este direct influențată de modificarea presiunii mediului ambiant, ceea ce determină scăderea puterii motorului odată cu creșterea altitudinii (scade p0) [12].

Viteza fluidului proaspăt:

Se determină prin măsurători cu anemometru în conducta de admisie sau prin calcule, și influențează în mare măsură gradul de umplere [12].

Cantitatea de gaze reziduale:

Cantitatea de gaze arse reziduale, apreciată prin coeficientul , influențează puternic umplerea cilindrului. La creșterea acestuia se mărește și cantitatea de gaze rămase și temperatura acestora iar locul pentru amestec proaspăt se reduce [2].

Turbulența:

Turbulența mișcare dezorganizată a aerului, conduce la pierderi importante de energie pe traseu cu reducerea coeficientului de umplere. Apariția turbulenței pe traseul de admisie, mai ales la MAS cu carburator, are o influență diferită. Aspectul pozitiv este legat de grăbirea vaporizării și amestecării benzinei cu aerul, iar pe de altă parte, prin frecările pe care fluidul le are cu pereții, apar pierderi hdraulice importante.

Influențele factorilor funcționali

Factori funcționali ce influnțează desfășurarea ciclului funcțional al unui motor cu ardere internă, sunt sarcina și turația motorului.

Sarcina motorului:

La MAC sarcina se manifestă diferit în comparație cu MAS, modificarea sarcinii se face prin reglarea cantității de combustibil iar cantitatea de aer rămâne constantă. La turație constantă rezistențele gazodinamice sunt identice, o mică influență fiind generată de încălzirea aerului prin galeriile de admisie prin creșterea regimului termic al motorului [2].

La MAS prin reducerea sarcinii, care se realizează prin închiderea parțială a obturatorului, cresc foarte mult rezistențele gazodinamice și coeficientul de gaze arse reziduale, ceea ce conduce la o scădere a randamentului umplerii [2].

Turația motorului:

Turația influențează coeficientul de umplere atât direct, cât și prin fazele de distribuție, astfel, odată cu creșterea turației, crește viteza de curgere a fluidului proaspăt; în același timp, cresc pierderile gazodinamice, rezultatul fiind scăderea coeficientului de umplere [6].

Coeficientul de umplere este influențat de frecvența și amplitudinea undelor de presiune din colectorul de admisie, anumite turații putând favoriza umplerea cilindrului (fig. 2.16.a), în timp ce alte turații pot conduce la înrăutățirea umplerii cilindrului (fig. 2.16.b) [3].

Influențele factorilor constructivi

Traseul de admisie

Traseul de admisie influențează în mod direct randamentul umplerii prin presiunea de admisie. Construcția sistemului de admisie este mult mai simplă la MAC decât la MAS și de aici apar mult mai puține pierderi. Sursele de pierderi gazodinamice ale curgerii fluidului motor sunt: filtrul de aer, difuzorul, obturatorul, colectorul, galeria din chiulasă și trecerile pe lângă supapă.

La MAS pierderile gazodinamice depind numai de filtrul aer, variațiile de secțiune și schimbările de direcție ale fluidului. Rezistența indusă de filtrul de aer depinde de capacitatea sa de filtrare și de gradul său de îmbâcsire cu impurități. Un filtru de aer murdar va induce o rezistență aerodinamică ridicată [2].

Astfel în figura de mai jos este reprezentată influența lungimii și forma conductei de admisie asupra randamentului umplerii.

Secțiunea litrică a supapei

Secțiunea litrică a supapei are un rol important în mărirea randamentului umplerii, astfel se poate mări turația fără a compromite randamentul umplerii numai dacă se mărește în aceeași proporție secțiunea litrică a supapei [6].

Influența secțiunii litrice a supapei de admisie asupra unor parametri ai procesului de admisie este reprezentată în figura de mai jos.

Diametrul relativ al orificiului liber

Este un parametru constructiv de bază care se modifică pentru a obține secțiuni litrice superioare și este definit prin raportul care variază între limitelele , unde este diametrul scaunului supapei de admisie iar D este alezajul cilindrului [6].

Utilizarea soluțiilor de evacuare cu mai multe supape urmărește îmbunătățirea secțiunii litrice și ușurarea evacuării căldurii din supapă.

Înălțimea relativă maximă de ridicare a supapei

Este un factor ce influențează direct secțiunea litrică iar raportul este , dar în limita superioară apar restricții de ordin gazodinamic și mecanic. Astfel, prin restricționarea valorii , creșterea inălțimii relative de ridicare a supapei se poate obține prin mărirea valorii . Dar mărirea valorii duce la creșterea proporțională a accelerației supapei, rezultând astfel o uzură mărită asupra camei. Din acest motiv valoarea se limitează la din , rezultând pentru MAS (alezaje sub 100[mm]), iar la MAC (alezaje peste 100[mm]) [6].

Durata deschiderii supapei de admisie

Durata deschiderii supapei de admisie este un factor independent care la un exemplu de modificare a duratei de deschidere de la 220°RAC la 300°RAC (36%) permite o creștere a coeficientului de umplere cu 10[%] [6].

Arhitectura camerei de ardere

Arhitectura camerei de ardere are o influență importantă prin determinarea dimensiunilor

talerului de supapă în funcție de caracteristicile constructive.

După cum sunt montate supapele, camerele de ardere se împart în:

– camere de ardere cu supape laterale (în L);

– camere de ardere cu supape în chiulasă (în I);

– camere de ardere mixte.

Camerele de ardere cu supape laterale (în L) (Fig. 2.22.a) au o comandă simplă a supapei realizată prin intermediul unei tije acționate de o camă acționată de către arborele cotit. Datorită acestui lucru motorul are o înălțime mică dar această soluție nu este utilizată la MAC deoarece nu se poate realiza un raport de comprimare mărit [6].

Camerele de ardere cu supape în chiulasă (în I) sunt des utilizate în construcția motoarelor cu aprindere prin comprimare, în două variante constructive:

cu supape paralele (Fig. 2.22.b);

cu supape înclinate sau în V (Fig. 2.22.c).

Construcția supapelor în I este mai complexă datorită folosirii unei piese suplimentare numită culbutor și are avantajul folosirii unor supape cu dimensiuni ale talerului mai mari.

Camera mixtă (Fig. 2.22.d) beneficiază de avantajul de a permite sporirea diametrului talerului supapei de admisie, dar datorită sistemului de comandă complicat nu se prea folosește la motoarele de serie [6].

Traseul de evacuare

La traseul de evacuare conductele sunt mai lungi decât în cazul traseului de admisie ceea ce determină pierderi gazodinamice mari. Datorită montării amortizorului de zgomot se creează rezistențe în evacuarea gazelor arse, rezistență care determină creșterea presiunii gazelor de evacuare, scade coeficientul de umplere și cauzează o scădere a puterii motorului de 1…3[%] pentru fiecare zecime de [daN/cm2] în plus [12].

Fazele distribuției

Momentele deschiderii și închiderii supapelor de admisie și evacuare precum și duratele deschiderii supapelor au o influență esențială în perfecțiunea procesului de schimbare a gazelor și implicit a performanțelor motorului cu ardere internă.

Fazele distribuției se exprimă în grade RAC (rotații ale arborelui cotit [°RAC]), față de linia PMS-PMI și se reprezintă prin diagrama fazelor de distribuție.

Limitele de variație ale unghiurilor de avans și de întârziere la închiderea și deschiderea supapelor sunt prezentate în tabelul 2.1.

Tabelul 2.1 Limitele de variație ale unghiurilor de avans și de întârziere la închiderea și deschiderea supapelor [2].

Deschiderea supapei de evacuare (dse) se face cu avans față de PMS deoarece lucrul mecanic consumat pentru evacuarea gazelor va fi mai mic. Deoarece supapa de evacuare se deschide pe cursa de destindere gazele arse vor pierde o parte din presiune iar când pistonul începe cursa de evacuare va întâmpina o rezistență mai mică din partea gazelor arse. Avansul deschiderii supapei de evacuare poate avea valorii în jurul de 60[°RAC] [6].

Închiderea supapei de evacuare (îse) se face cu întârziere după PMI pentru a asigura o evacuare mai bună a gazelor arse. Întârzierea la închidere, după PMI, a supapei de evacuare poate avea valori în jur de 30[°RAC] [6].

Deschiderea supapei de admisie (dsa) se face cu avans față de PMI pentru a asigura umplerea mai bună a cilindrilor cu gaze proapspete. În momentul în care pistonul începe cursa de admisie este bine ca supapa de admisie să fie deja deschisă pentru a facilita curgerea aerului proaspăt. Orientativ avansul la deschiderea supapei de admisie poate avea valori în jur de 20[°RAC] [6].

Închiderea supapei de admisie (îsa) se face cu întărziere după PMS pentru a optimiza umplerea cilindrilor cu aer proaspăt. Datorită inerției aerului curgerea în cilindrii are loc și după ce pistonul începe cursa de comprimare. Supapa de admisie fiind deschisă și după ce pistonul trece de PMS umplerea cu aer proapspăt se face mai bine. Întârzierea la închiderea supapei de admisie se face cu valori în jur de 60 … 70[°RAC] [6].

Suprapunerea deschiderii supapelor este reprezentată în figura următoare. În această zonă există posibilitatea trecerii de gaze de admisie direct în galeria de evacuare, dar cu valori relativ reduse, mai ales la turații ridicate. Această suprapunere a deschidere a supapelor are o importanță deosebită mai ales la motoare supraalimentate, unde presiunea din galeria de admisie este mai ridicată decât cea din galeria de evacuare. La aceste motoare o anumită cantitate de aer proaspăt va trece în galeria de evacare, reducând puțin și temperatura gazelor arse.

Raportul de comprimare

Influența raportului de comprimare este decisivă asupra umplerii, aceasta fiind direct proporțională cu raportul de comprimare. Totuși la rapoarte de comprimare ridicate, crește regimul termic al motorului, conducând la încălziri ale traseului cu efecte negative asupra umplerii deoarece creșterea temperaturii amestecului proaspăt duce la reducerea densității [2].

Natura materialului pistonului și chiulasei

Pentru piston și chiulasă conductivitatea termică a acestora influențează încălzirea amestecului și deci și coeficientului de umplere. Aliajele de aluminiu au o conductivitate ridicată față de cele din fontă și o temperatură mai scăzută, conducând la un coeficient de umplere mai ridicat [2].

Criteriul adimensional Z

Criteriul adimensional Z este un criteriu de similitudine utilizat în proiectare și care pe baza relației, adună o serie de factori care influențează procesul de umplere [6].

Variația gradului de umplere în funcție de criteriul adimensional Z este reprezentată în figura următoare.

2.3.3 Fenomene dinamice în conducte

În conducte contribuie două tipuri de fenomene: inerțial si ondulatoriu. Acestea acționează simultan asupra coloanei de aer din colectorul de admisie, in anumite condiții fiind determinant cel inerțial, iar in altele cel oscilatoriu [6].

Fenomenul inerțial

Deplasarea pistonului în cursa de admisie de la PMS la PMI produce în cilindru o depresiune care va pune în mișcare coloana de aer din colectorul de admisie. Inițial, această coloană se va opune deplasării datorită inerției. La sfârșitul cursei pistonului închiderea supapei de admisie va determina încetinirea acestei deplasări, iar inerția coloanei de gaz va determina o crestere de presiune. Prin optimizarea fazelor de distribuție se poate utiliza această presiune suplimentară în vederea realizării unei umpleri mai bune a cilindrului chiar și după ce pistonul a început să se deplaseze către punctul mort superior.

Principalii parametri care influențează fenomenul inerțial sunt turația motorului, lungimea și diametrul colectorului de admisie. Per ansamblu s-ar putea spune că efectul fenomenului inerțial este nul, la inceputul admisiei fiind negativ, iar la sfârșit pozitiv, însă influența turației asupra coeficientului de umplere () nu este liniară [6].

Criteriul de similitudine al efectului inerțial este dat de grupul adimensional:

Unde:

L este lungimea conductei în metri;

n este turația motorului;

este viteza sunetului în fluidul proaspăt, ;

este cilindreea unitară;

este volumul conductei.

Fenomenul ondulatoriu

Deschiderea bruscă a supapei de admisie produce o undă de presiune negativă care va parcurge colectorul de admisie cu viteza sunetului. Când unda negativă ajunge la capătul colectorului ea se va reflecta în atmosferă și se va intoarce spre poarta supapei ca undă pozitivă de presiune. Procesul se repetă, însă acum unda are o amplitudine mai mică datorită frecărilor. Oscilațiile din colectorul de admisie sunt alimentate în mod continuu prin deschiderea și închiderea periodică a supapelor [6].

Pentru a putea exploata fenomenul ondulatoriu, unda de presiune pozitivă cu amplitudinea maximă trebuie să ajungă în poarta supapei când supapa de admisie este complet deschisă. Utilizarea eficientă a acestui fenomen pe întreaga plaja de funcționare a unui motor necesită modificarea lungimii colectorului de admisie în funcție de turație.

În practică s-a propus criteriul adimensional al efectului ondulatoriu sub forma relației 2.22, iar mărimile sunt descrise mai sus [6].

2.4 Galeria de admisie

Fiecare galerie de admisie este unică pentru motorul pentru care a fost construită, dar aceleași principii de bază se aplică în analiza fluxului de fluid. Constrângeri speciale de proiectare trebuie să fie studiate și puse în aplicare pentru a obține un randament volumetric acceptabil pentru procesul de umplere. Interacțiunea dintre combustibil și aer este deosebit de importantă în galeria de admisie la motoarele cu injecție portuare deoarece rata de curgere a aerului care călătorește prin galerii trebuie monitorizată continuu pentru a determina cantitatea corectă de combustibil pentru injectie, în scopul de a menține un amestec aer-carburant stoichiometric. Fluxul de aer este măsurat și prezis cu ajutorul unor senzori și metode de modelare în unitatea de comandă a motorului (ECU). Complexitatea în măsurare a debitului de aer apare din cauza pierderilor de flux din interiorul galeriei de admisie atribuit modificării geometriei, cum ar fi coturi și orificii, stratul de-a lungul peretelui, și alte procese care au loc în galeria de admisie [15].

Scopul galeriei de admisie este de a antrena un amestec de aer și combustibil în camera de ardere a motorului. Amestecul trebuie să îndeplinească o serie de parametri, pentru a asigura o ardere corespunzatoare.

Pentru a menține corect raportul aer-combustibil, atât fluxul de aer și debitul de combustibil trebuie să fie dozat. Galeria de admisie are mai multe componente care contribuie la procesul global de umplere a motorului, iar fiecare element este responsabil pentru un anumit combustibil sau aer în funcție de sarcină asociată. Strategii de proiectare variaza de la motor la motor, dar aceleași principii guvernează aspectul galeriei. Aerul care curge în motor trebuie măsurat pentru a prezice cantitatea corectă de combustibil pentru a fi injectată.

Fiecare componentă a sistemului de admisie trebuie sincronizată pentru a menține în parametri, economia de combustibil și emisiile corespunzătoare. Pentru a asigura cantitatea de aer necesară arderii complet e a amestecului carburant se recurge la diferite soluții constructive, cum ar fi trasee de admisie cu geometrie variabilă, trasee la care lungimea galeriei de admisie variază în trepte sau continuu, asigurând astfel lungimea optimă de admisie pentru o plajă largă de turații, efectul dorit fiind cel de supraalimentare prin rezonanță [8].

Pentru obținerea acestui efect benefic pentru suplimentarea cantității de aer introdusă în cilindrii fără ajutorul unui compresor suplimentar, constructorii actuali propun o serie de soluții care pot asigura supraalimentarea prin rezonanță la un anumit regim de turație al motorului sau la mai multe regimuri, în trepte sau continuu, ultima soluție fiind și cea mai avansată tehnologic (varierea continuă a lungimii traseului de admisie).

Testarea sistemelor de admisie în timpul dezvoltării acestora se face în prezent cu ajutorul sistemelor CFD (Computational Fluid Dynamics), rezultatele obținute reducând timpul de proiectare precum și orele de testare pe bancul de probe. La obținerea unei versiuni care îndeplinește cerințele impuse de constructor, se produce un prototip care se supune testelor pe bancul de probe. Testarea pe bancul de probe confirmă de cele mai multe ori valabilitatea sistemului de dezvoltare cu ajutorul CFD, ducând uneori la rezultate mai bune datorită faptului că pe bancul de teste nu se pot măsura viteze de curgere în zone greu accesibile ale sistemelor de admisie [16].

Funcționarea fără probleme a sistemelor avansate de admisie prezentate mai sus se poate face numai în prezența unui sistem de filtrare a aerului admis la fel de performant, astfel și acestuia din urmă impunându-i-se cerințe la fel de complexe.

2.4.1 Analiza posibilităților tehnice de îmbunătățire a performanțelor galeriilor de admisie

Înainte de 1950, inginerii au crezut despre colectoarele de admisie scurte că erau cele mai bune pentru umplerea motorului cu ardere inernă, apoi, ei au descoperit că, în anumite condiții colectoarele de admisie lungi ar putea îmbunătăți efectiv performanțele motorului, datorită unui așa numit "efect de supraalimentare"sau supraalimentare acustică. Astfel de galerie de admisie a fost introdusă în 1954 la autoturismul Mercedes 300SL [22].

Efectul se formează când aerul proaspăt este aspirat în camera de ardere, el adună viteză și impuls în galeria de admisie. De îndată ce supapa de admisie este închisă, viteza mărită a aerului lovește supapa și astfel se comprimă, generând o presiune înaltă. Cum nu are unde să se destindă, aceasta presiune mare ricoșează înapoi, se deplasează de-a lungul galeriei de admisie, lovește în cealaltă parte și ricoșează înapoi din nou. În acest fel, presiunea ridicată ricoșează înapoi și înainte de-a lungul galeriei de admisie până supapa de admisie se deschide din nou, creând unde de presiune[22].

În cazul în care supapa de admisie se deschide din nou exact în momentul în care valul de presiune vine din spate, unda de presiune va ajuta umplerea camerei de ardere datorită presiunii ridicate. Pentru a se potrivi cu momentul de deschidere a supapei, frecvența undei de presiune trebuie sincronizată cu turația motorului. Această frecvență este dependentă de lungimea galeriei de admisie (L în figura 2.28). Cu cât lungimea este mai mare, cu atât timp îi v-a lua valului de presiune pentru a veni înapoi, astfel, o frecvență mai mică a undei de presiune este atinsă. Ca rezultat, un colector de admisie mai lung conduce la efectul de supraalimentare la turații mai mici iar unul mai scurt duce la un efect de supraalimentare la turații mari. Prin selectarea unei lungimi adecvate a galeriei de admisie, se poate obține caracteristica de putere dorită [22].

După diferite cercetări în scopul de a obține un efect de supraalimentare util, o galerie de admisie trebuie să fie lungă. Dacă este prea scurtă, unda de presiune v-a sări de prea multe ori în colector înainte de deschiderea supapei, iar atunci presiunea ridicată este în mare măsură diminuată.

Din păcate, îmbunătățirea galeriei de admisie funcționează doar pe o gamă îngustă de turații. În cazul în care motorul se turează dincolo de gama de turații, unda de presiune v-a ajunge prea târziu în portul supapei de admisie, contribuind foarte puțin la umplere. În cazul în care motorul funcționează mai jos de gama de turații, unda de presiune v-a ajunge la supapa de admisie înainte ca aceasta să se deschidă. În ambele cazuri, zona de joasă presiune a undei de presiune poate funcționa chiar împotriva umplerii cilindrului, înrăutățind performanțele motorului [22].

Pe un motor de mașină sport se poate monta un colector de admisie mai scurt, reglat pentru a optimiza performanțele la turații mari, iar pe un sedan greoi sau pe o autoutilitară comercială se poate alege o galerie de admisie mai lungă pentru a favoriza performanțele la turații mici în detrimentul celor de turații mari. După cum reiese selecția lungimii colectorului de admisie este întotdeauna un compromis [22].

Galerie de admisie variabilă (VIM)

Galeria de admisie variabilă a fost populară pe motoare cu aspirație naturală pe modele de la mijlocul anilor 1990. Aceasta este folosită în principal pentru a extinde curba momentului motor, sau în alte cuvinte, pentru a îmbunătăți flexibilitatea motorului. Convențională galerie de admisie se concentrează pe o gamă îngustă de turații. În contrast, VIM oferă două sau mai multe etape de admisie configurate pentru turații diferite ale motorului. Acest lucru seamănă foarte mult cu sincronizarea variabilă a supapelor, dar VIM este în general mai ieftin de produs, deoarece implică doar o galerie de admisie turnată sau din plastic și câteva valve operate electric. Astfel se explică de ce a fost aplicată la motoarele mai ieftine și mai mici, cu mult înainte de a deveni populară tehnologia VVT. Astăzi, multe motoare folosesc ambele caracteristici pentru a obține cele mai bune rezultate [22].

Cu toate acestea, galeria de admisie variabilă este foarte rar folosită în motoare turbo sau supraalimentate – 2.0 TFSI motorul concernului Volkswagen este unul dintre puținele excepții. Acest lucru se datorează faptului că inducerea forțată oferă un efect de supraalimentare puternic. Astfel din ce în ce mai multe mașini trec la motoare cu turbosuflante, iar popularitatea VIM este de așteptat să scadă în viitorul apropiat [22]. Există două tipuri de VIM:

de lungime variabilă (VLIM);

de rezonanță.

Galerie de admisie de lungime variabilă (VLIM)

Galeria de admisie de lungime variabilă este un răspuns direct la neajunsul convențional al galeriei de admisie normale. În cazul în care o galerie de admisie de lungime fixă este optimizată pentru o plajă de turații foarte îngustă, se folosesc două seturi de galerii de admisie, una cu conducte scurte pentru a servi la turații mari iar cealaltă cu conducte lungi pentru turațiile mici ale motorului.

Prin utilizarea unei simple supape fluture, comutarea între conductele lungi și scurte este ușor de realizat. Unele sisteme timpurii VLIM, cum ar fi pe modelul Ford 2.5 Duratec V6, utiliza conducte lungi și scurte separate, care este ușor vizibil în figura de mai jos. Conductele scurte merg la cel mai apropiat cilindru în timp ce conductele lungi merg la cilindrul opus. Un astfel de aranjament este consumator de spațiu, iar lipsa de spațiu duce la conducte înguste folosite, astfel că nu este foarte potrivit pentru motoare de înaltă performanță [22].

De aceea, cele mai multe sisteme VLIM, ca aceasta de pe motorul Honda K20C, au partea lungă și scurtă a traseului de admisie ce împărtășesc aceleași colector. La turații reduse, aerul trece prin traseul lung, iar la turație mare o clapetă se deschide și creează o scurtătură, astfel aerul v-a circula prin galerie pe traseul mai scurt [22].

Prezentat în figura 2.31 este motorul de 4.2 [l] V8, 40 valve al firmei Audi folosit de la sfârșitul anilor 1990 spre mijlocul anilor 2000. Sistemul său VLIM este situat între cilindri montați în V pentru a economisi spațiu. Există două clapete în interiorul sistemului iar cu amândouă închise, aerul proaspăt trece prin întreaga lungime a galeriei [22].

Cu deschiderea unei clapete, aerul trece printr-un traseu mai scurt, iar când clapeta cealaltă se deschide, o cale și mai scurtă este stabilită.

Următoarea curbă de moment motor arată efectul celor trei etape de VLIM:

Sistemul în trei etape este un pic mai complicat și ocupă mai mult spațiu decât sistemul în două etape. Acesta a fost în cele din urmă abandonat atunci când Audi a introdus VVT dual-continuu și FSI care au extins curba momentului motor [22].

Galerii de admisie cu rezonanță

Motoarele boxer și motoarele de tip V pot folosi rezonanța din galeria de admisie pentru a extinde curba de cuplu. Fiecare bloc de cilindri sunt alimentați de o cameră comună de distribuție prin conducte separate. Cele două camere sunt interconectate prin două conducte de diferite diametre. Una dintre conducte poate fi închisă printr-o supapă controlată de sistemul de management al motorului.Ordinea de aprindere este dispusă astfel încât cilindrii se pot umple alternativ de la fiecare cameră, creând unde de presiune între ele. În cazul în care frecvența undelor de presiune se potrivește cu turația, aceasta poate ajuta la umplerea cilindrilor, astfel îmbunătățește eficiența coeficientului de umplere [22].

Cum frecvența depinde și de suprafața secțiunii transversale a conductelor interconectate, prin închiderea uneia dintre ele, la turații scăzute, precum și de zona frecvenței reduse, astfel, crește cuplul la turații inferioare. La turații mari, supapa este deschisă, astfel, se îmbunătățește viteza mare de umplere a cilindrilor.

Sistemul de admisie prin rezonanta a fost folosit la diverse autoturisme Porsche începând de la 964 Carrera. La modelul 993, Porsche a combinat sistemul de admisie prin rezonanță cu un colector suplimentar de lungime variabilă pentru a forma un sistem de admisie în trei trepte numit VarioRam.

Cu toate acestea, sistemul este foarte consumator de spațiu (vezi imaginea din partea dreapta de mai jos), astfel de la modelul 996 revine numai la sistemul de admisie prin rezonanță, deși Porsche păstrează numele VarioRam. Honda NSX este un alt model rar pe care se găsește sistemul de admisie prin rezonanță [22].

A: sub 5000 [rpm]: conducte lungi; aportul de rezonanță dezactivat;

B: între 5000-5800[rpm]: conducte lungi plus conductă scurtă de rezonanță, cu o conductă interconectată a admisiei prin rezonanță închisă;

C: peste 5800 [rpm]: conducte lungi plus conductă scurtă de rezonanță, cu ambele conducte interconectate ale aportului de rezonanță deschis.

Diferențierea variabilă a galeriei de admisie (DIVA)

Sistemul DIVA BMW (diferențiere variabilă a galeriei de admisie) a fost introdus prima oară la motoarele N52 V8 pe seria 7 în 2001 și a fost prima galerie de admisie cu varierea continuă a lungimii traseului de admisie. Colectorul de admisie al fiecărui cilindru este aranjat în formă circulară, și jumătate încastrat între cilindri montați în V. Peretele interior este de fapt un rotor, pe care se află orificiul de admisie a aerului. Când rotorul pivotează, poziția prizei de aer se deplasează în raport cu carcasa exterioară a colectorului. Aceasta variază lungimea efectivă a galeriei de admisie, de la maxim 673 [mm] la 231 [mm] [22].

Mai jos de 3500 [rpm], DIVA utilizează lungimea maximă a colectorului pentru optimizarea cuplului la turație mică. Dincolo de 3500 [rpm], lungimea este redusă treptat în funcție de turație, menținând efectul de supraalimentare la nivel optim.

Sistemul DIVA necesită o construcție circulară, ocupă mai mult spațiu (mai ales în înălțime) decât alte sisteme VLIM, astfel sistemul nu a fost prea popular, chiar și firma BMW nu a fost pasionată de tehnologie.

Când motorul V8 de 4.4 [l] a fost mărit la 4,8 [l], cuplul suplimentar a permis firmei BMW de a renunța la DIVA pentru un sistem mai simplu VLIM în două etape. Următoarea generație V8 a trecut la supraalimentarea turbo, astfel DIVA nu a mai fost utilizată. Astăzi, ea rămâne singura galerie de admisie cu varierea continuă a lungimii traseului de admisie care a ajuns în producție [22].

MODELAREA ȘI SIMULAREA VIRTUALĂ A PROCESELOR UNUI MOTOR CU APRINDERE PRIN SCȂNTEIE

Simularea motorului asistată de calculator

Simularea motorului asistată de calculator se folosește pe o scară foarte largă în întreaga industrie de automobile și comunitatea de cercetare. Calculatoarele sunt atât de puternice și accesibile, astfel simularea motorului poate oferi o economie substanțială de timp și bani. Deși un model de motor este o aproximare simplificată a unui motor real, el poate fi calibrat pentru a obține precizia dorită.

Cele mai multe programe disponibile în comerț de simulare a motorului se bazează pe ecuații unidimensionale de dinamică a fluidelor. Ele conțin, de asemenea, modele de transfer de căldură și de frecare, care de multe ori necesită calibrare. În general, în scopul de simulare a motorului pot fi grupate în două categorii [4]:

proiectarea motorului;

reprezentări virtuale ale motorului.

Proiectare folosind modele de motor

Construirea și testarea unui motor prototip este foarte scumpă. Cele mai multe modele implică cel puțin una dintre următoarele: elaborarea asistată de calculator (CAD), calculul dinamicii fluidului (CFD), analiza cu element finit (FEA) și / sau programe de simulare a motorului. Aceste instrumente ajută pentru a menține numărul de modele prototip la un nivel minim [4]. Programul de simulare motor este, de asemenea, foarte important în acest proces. De exemplu, un model de motor poate fi utilizat pentru a proiecta un sistem de admisie sau de evacuare.

Modificările lungimei tubulaturii de admisie și evacuare se pot calula cu ajutorul acestor aplicații. Un model de motor poate fi de asemenea utilizat pentru a selecta profile de camă sau proiectarea unui turbocompresor. Pentru cele mai multe aplicații de proiectare, modelul de motor nu are nevoie de calibrări extinse, deoarece motoarele modelate nu sunt încă construite (și poate nu vor fi niciodată), modelele nu pot fi calibrate cu datele experimentale [15].

Reprezentări virtuale folosind modele de motor

Celelalte clasificări de modele de motoare sunt cele create pentru a reprezenta exact un motor fizic specific. În acest caz, sunt necesare date experimentale pentru a asigura că modelul produce aceleași performanțe exact ca motorul real. Deoarece programul de simulare motor nu poate explica orice fenomen care apare într-un adevărat motor, este imposibil de a crea un model de motor care să se potrivească perfect cu omologul său experimental. În schimb, un model este ajustat în mod normal până la o singură variabilă foarte asemănătoare între simulare și experiment. Asta nu înseamnă că toate celelalte variabile vor fi extrem de inexacte. O atenție la calibrare v-a produce un model care prezice foarte bine tendințele cu cele mai multe calități. Mărimile și compensările, cu toate acestea, pot devia ușor de la datele experimentale [4].

Un model ar putea fi reglat pentru a se potrivi cuplului, masei de aer pe cilindru sau compoziția gazului de evacuare. Pentru ca orice variabilă să fie de acord, mai multe componente în model trebuie să fie calibrate inclusiv un model de combustie și transfer de căldură. Odată ce un model este reglat pentru a reprezenta un motor specific, o stare de funcționare poate fi simulată cu exactitate în loc de a o rula experimental. În plus, efectul de mici modificări în design poate fi văzut, fără a construi un motor nou. O altă utilizare importantă a acestui tip de model este controlul de design. Un model ar putea fi utilizat pentru optimizarea timpului de producere a scânteiei, sincronizarea camelor, a gazelor reziduale sau a mai multor variabile de control. Pentru ca un model poate fi rulat pe mai multe calculatoare, sute de mii de cazuri pot fi simulate în câteva săptămâni. Testarea acestor cazuri pe un dinamometru de motoare ar dura luni sau chiar ani și multe motoare prototip scumpe [4].

Structura modelului MAS în cadrul programului de simulare

Atunci când este utilizată în mod corespunzător pe baza unui calculator, simularea specifică a unui motor poate fi un instrument neprețuit. Un program frecvent utilizat în industria auto este GT-SUITE de la Gamma Technologies. GT-SUITE rezolvă în mod explicit dinamica fluidelor unidimensionale pe parcursul întregului model de motor. Există mai multe posibilități pentru construirea unui model de motor precis folosind un simulator unidimensional ca GT-SUITE, BOOST sau WAVE. În primul rând, geometria trebuie interpretată cu scrupulozitate și definită pentru a prezice exact dinamica fluidului. Mai mult și poate mai important, geometria este proiectată pe echivalentul său unidimensional .

Figura 3.1 prezintă o vedere cu dispunerea modelului GT-SUITE pentru un motor cu patru cilindri, cu două supape pe cilindru, modelul fiind cel utilizat în simulare. Fiecare pătrat reprezintă un volum cu o anumită lungime, diametru, curbură, rugozitate a suprafeței, o temperatură a pereților, precum și unele precizări suplimentare. Fiecare obiect rotund reprezintă un plan vertical între volumele menite să definească un orificiu definit printr-un coeficient de pierdere de debit. Dispunerea are sub-modele pentru fiecare cilindru, care necesită informații geometrice împreună cu diverse modele definite de utilizator pentru calcularea sau estimarea procesului de combustie, transferul de căldură și altele. Aceste sub-modele permit progrmului să estimeze cantități ca presiunea în cilindri și compoziția gazelor de evacuare. Dispunerea arată, de asemenea, un sub-model pentru sistemul bielă manivelă atașat la toți cilindrii, care modelează caracteristicile cinematice și de inerție a manivelei.

Detaliile prezente în figura 3.1 arată clar cum calibrarea unui astfel de model poate fi o provocare. Fiecare dintre obiecte conțin multe variabile reglabile, dintre care unele sunt funcții ale condițiilor de funcționare. Din fericire, programele de simulare motor estimeaza mulți parametri necesari, inclusiv cea mai mare parte a coeficienților de pierdere de debit ca urmare a schimbării geometriei între volumele de pe traseu. Multe dintre aceste pierderi concentrate sunt menite să tină cont de efectele nete ale fenomenelor reale de curgere tridimensională. Cu toate acestea, există câteva variabile deosebit de importante, care sunt special concepute pentru a fi introduse de utilizator, incluzând și: temperaturi de perete (sau un model de transfer de căldură), rugozitatea suprafeței, coeficienți de pierdere, valori geometrice, condiții de mediu, precum și modele pentru combustie [10].

3.3 Măsurători reale

Pentru determinarea prin simulare a influenței rugozității galeriei de admisie asupra umplerii, s-au preluat date privind rugozitatea suprafeței interioare de la două galerii de admisie diferite. Galeria din aliaj de aluminiu provine de pe motorul C20NE, un motor de 2.0[l] cu injecție indirectă multipunct, montat pe autoturismul Opel Astra F între anii 1994-1998. A doua galerie de admisie este din material plastic, polipropilenă mai exact și se utilizează pe autoturismul Ford Focus, între anii 2000-2004 pe un motor de 2.0[l] cu un sistem de injecție similar.

Măsurarea rugozității pe cele două galerii s-a efectuat în incinta firmei S.C. SINTEROM S.A. cu ajutorul unui aparat de măsură numit rugozimetru. Rugozimetrul este de la firma MAHR și se numește Pertometru M1.

Aparatul de măsură este certificat conform standardelor DIN/ISO/JIS și are un domeniu de măsurare de până la 150 [μm]. Valorile măsurate ale rugozităților sunt:

pentru galeria din aliaj de aluminiu [μm];

pentru galeria din plastic [μm].

Configurarea modelului de motor realizat în AVL BOOST 2013.1

Modelul de motor folosit în această lucrare pornește de la un exemplu din cadrul programului BOOST. Modelul este un motor MAS de cilindree 2.0[l], cu injecție indirectă multipunct și este aspirat natural. Caracteristicile principale ale modelului motor sunt prezentate în tabelul 3.1:

Tabelul 3.1 Mărimile principale ale modelului de motor din BOOST

Modelul utilizat în cadrul simulării este prezentat în figura 3.5, iar acesta este realizat cu ajutorul elementelor predefinite în programul BOOST, după cum urmează: limitele sistemului (SB1, SB2), conducte de legatură (1 – 34), filtrul de aer (CL1), volum de atenuare pe admisie (PL1, PL2), restricții (R1 – R10), intersecții de conducte (J1 – J6), injectoare (I1 – I4), cilindri motorului (C1-C4), catalizator (CAT1), amortizoare de zgomot (PL3, PL4), puncte de măsurare (MP1 – MP18) [20].

În continuare în figura 3.6 sunt prezentați paramertrii cilindrului CL1, parametrii ce sunt valabili pentru toți cilindrii motorului simulat.

Dimensiunile talerelor supapelor de admisie și evacuare sunt afișate în figura de mai jos.

Raportul aer-combustibil, temperatura mediului ambiant, temperatura combustibilului injectat precum și alți parametri se i-au în considerare pentru modelarea unui MAS în programele de simulare, GT-SUITE și WAVE

Pentru a simula influența rugozității galeriei de admisie asupra umplerii, pe traseul galeriei de admisie s-au modificat parametrii ce țin cont de rugozitatea suprafețelor. În prima simulare s-a introdus valoarea rugozității galeriei de admisie din aliajul de aluminiu, după cum este prezentată în figura 3.9, pe conducta 9.

Pe aceași conductă, penru a doua simulare, s-a introdus rugozitatea galeriei de admisie din plastic, după cum este prezentată în figura 3.10.

Simularea se face după fiecare modificare a datelor ce țin cont de rugozitatea galeriei de admisie iar rezultatele se preiau cu ajutorul aplicației IMPRESS Chart, aplicație din cadrul programului AVL dedicată rezultatelor și diagramelor.

3.5 Configurarea modelului de motor realizat în GT-SUITE v7.4.0

În programul GT-SUITE modelul de motor este prezentat în figura 3.11. Modelul este alcătuit din următoarele elemente: granițele sistemului ( ), orificii, capete de traseu si clapeta de accelerație ( ), conducte de legătură ( ), filtrul de aer ( ), intersecții de conducte ( ), injectoare ( ), supapele de admisie și evacuare ( ), cilindrii motorului ( ), blocul motor ( ), elemente de conexiune, biele

( ) și conducte cu cot ( ). Acest model este configurat după aceiași parametri utilizați în programul BOOST. În figurile ce urmează sunt prezentate unele dintre mărimile principale modelate în GT-SUITE.

Valorile privind temperatura combustibilului injectat, raportul aer-combustibil, localizarea injectorului pe conductă, numărul fracțiilor de vapori de combustibil și proprietățile combustibilului sunt inserate în elementul ce corespunde cu sistemul de injecție.

Elementul motor din figura 3.11 conține parametrii mecanismului motor modelat în GT-SUITE, iar datele necesare sunt introduse în interfața programului de simulare conform figurii 3.13.

Dimensiunile supapelor de admisie și evacuare, după cum și unghiurile arborelui cotit la care se deschid supapele sunt definite în GT-SUITE și ilustrate în figurile de mai jos.

Influența rugozității asupra celor două galerii de admisie se face similar simulărilor din programul BOOST, prima simulare este pentru rugozitatea galeriei din aliaj de aluminiu iar cea de-a doua simulare este pentru cazul galeriei din plastic.

Pentru prima simulare, valoarea rugozității galeriei din aliaj de aluminiu se introduce pe conductele ce formează traseul sistemului de admisie după cum este exemplificat în figura de mai jos.

În cazul simulării galeriei de admisie din plastic, valorile introduse sunt ilustrate în figura de mai jos.

Rezulatele se obțin din aplicația GT-POST, după ce s-au efectuat cele două simulări ale modelului de motor din GT-SUITE.

3.6 Configurarea modelului de motor realizat în Ricardo WAVE 2014.1

Modelul motorului modelat în programul WAVE este reprezentat în figura 3.18. Analog cu simularea din GT-SUITE, modelul creat în WAVE are aceleași caracteristici ca și modelul de motor din BOOST.

Modelul este compus din: limitele sistemului ( ), conducte de legătură ( ), orificii ( ), intersecții de conducte ( ), injectoare ( ), cilindri motorului ( ) și blocul motor.

În figura de mai jos sunt prezentate valorile parametrilor pentru modelarea sistemului de injecție al motorului virtual din WAVE.

Caracteristicile principale ale motorului cu aprindere prin scânteie modelat în programul WAVE sunt prezentate în figurile dispuse mai jos.

Supapele de admisie și evacuare sunt dimensionate conform figurilor de mai jos.

Identic cu simulările anterioare, procedura începe cu prima simulare a rugozității galeriei din aliaj de aluminiu. Configurarea se face conform figurii 3.24.

În cazul simulării rugozității galeriei din plastic, datele introduse sunt prezentate în figura de mai jos.

După rularea simulărilor, rezultatele vor fi preluate ca și în cazul celorlalte programe de simulare cu o aplicație dedicată datelor finale numită WavePost.

ANALIZA REZULTATELOR OBȚINUTE PRIN SIMULARE

În urma simulării s-au obținut predicții privind coeficientul de umplere, puterea efectivă, momentul motor efectiv și consumul specific de combustibil pentru diferite turații ale motorului.

Evaluarea coeficientului de umplere în urma simulării

Coeficientul de umplere este principalul parametru al simulărilor din această lucrare deoarece reprezintă eficiența sistemului de admisie. În figurile ce urmează coeficientul de umplere este un criteriu de comparație între rugozitățile galeriilor de admisie simulate în cele trei programe de simulare a motorului. Coeficientul de umplere este comparat în funcție de turația motorului.

După cum se observă din diagrame, valorile coeficientului de umplere rezultate în urma simulărilor, nu diferă foarte mult iar la anumite turații curbele gradului de umplere se suprapun.

Valorile rezultate în urma simulărilor a coeficientului de umplere sunt prezentate în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1 Valorile coeficientului de umplere în urma simulării

Evaluarea puterii efective dezvoltată de motor în urma simulării

Valorile puterii efective a motorului obținute în urma simulării rugozității celor două galerii de admisie sunt redate în figurile de mai jos.

Diferențele valorilor puterii efective dezvoltate de motor rezultate după simulările unidimensionale efectuate în cele trei programe de simulare a motorului sunt menționate în tabelul de mai jos. Diferențele ating cote maxime în jurul turației de 6000, acolo unde puterea efectivă a motorului este maximă.

Tabelul 4.2 Rezultatele puterii efective a motorului simulat

Evaluarea momentului efectiv al motorului în urma simulării

Variația momentului efectiv al motorului produsă în urma simulării virtuale asupra modificării rugozităților celor două sisteme de admisie, este ilustrată în figurile dispuse mai jos.

În tabelul 4.3 sunt menționate valorile momentului efectiv al motorului rezultate după efecuarea simulărilor pe modelul virtual. Urmând tiparul rezultatelor anterioare diferențele între valorile momentului motor alor celor două galerii de admisie, nu sunt semnificative între simulările aceluiași program de simulare. Diferențele mai mari apar în zona momentului motor maxim și se suprapun în domeniul turațiilor mici și mari.

Tabelul 4.3 Valorile momentului efectiv al modelului de motor simulat

Evaluarea consumului specific de combustibil în urma simulării

În urma modificării rugozității cu valoarea galeriei din plastic asupra sistemului de admisie din modelul de motor simulat, se dorește obținerea unui consum specific de combustibil mai scăzut decât cel obținut din simularea rugozității galeriei din aliaj de aluminiu. Rezultatele simulărilor sunt prezentate în figurile ce urmează.

Influența rugozității asupra consumului specific de combustibil în urma simulării este nesemnificativă și în mare parte curbele descrise de consumul specific de combustibil în diagramele rezultate se suprapun.

În tabelul 4.4 sunt descrise valorile consumului specific de combustibil obținute după simulările modelului virtual de motor.

Tabelul 4.4 Rezultatele consumului specific de combustibil al modelului de motor simulat

CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

5.1 Concluzii

Această lucrare a avut ca obiectiv principal analiza prin simulare a influenței rugozității galeriei de admisie asupra umplerii motoarelor cu ardere internă.

În urma cercetării stadiului actual, a analizării datelor obținute pe cale virtuală în urma simulărilor pot fi formulate următoarele concluzii:

Tematica lucrării a fost abordată gradat, începând cu aspecte specifice privind structura și etapele lucrării, continuând apoi cu etapele de cercetare teoretică și simularea virtuală a modelului de motor. În acest context, elaborarea lucrării s-a realizat cu scopul de a fi un ghid în vederea atingerii obiectivelor propuse în această lucrare;

Realizările în domeniul motoarelor cu ardere internă din ultimii ani sunt spectaculoase, atât din punct de vedere energetic, cât și ecologic. De asemenea, cererea de motoare performante, la nivel mondial este în creștere, economia de combustibil fiind principalul factor care a impus aceste motoare pe plan mondial. O astfel de îmbunătățire este trecerea la sisteme de admisie din plastic;

Specialiștii implicați în dezvoltarea motoarelor cu ardere internă au avut sarcina de a obține produse de înaltă calitate într-o perioadă relativ scurtă de timp, cu costuri de dezvoltare și producție minime. Ei au putut atinge aceste obiective datorită instrumentelor și metodelor de lucru, care au permis o mai bună optimizare a conceptelor dezvoltate încă din faza de proiectare. Aici se poate face referire, în special, la programele CAD-CAM, FEA, CFD, 1D, care fac posibilă derularea simultană a mai multor faze ale proiectului. Programele AVL BOOST, GT-SUITE și Ricardo WAVE, utilizate în prezenta lucrare fac parte din această categorie;

Simularea proceselor specifice ciclului motor a scos în evidență evoluția principalelor mărimi, oferind posibilitatea de a se realiza o analiză eficientă ale acestora;

În urma analizei parametrilor reprezentativi ai performanțelor modelului de motor simulat se poate afirma că influența rugozității galeriei de admisie asupra umplerii nu este semnificativă deoarece valorile parametrilor principali ai modelului de motor cu galeria de admisie cu rugozitate mai mică sunt până în 1[%].

Contribuții personale

În urma documentării teoretice, măsurătorilor experimentale precum și simulările realizate, permit evidențierea următoarelor contribuții personale:

Realizarea unui studiu detaliat al stării suprafețelor, al umplerii normale a motoarelor cu ardere internă și sistemelor de admisie ale autovehiculelor în vederea stabilirii influenței rugozității galeriilor de admisie asupra umplerii unui MAS;

Analiza și descrierea particularităților constructive și funcționale ale programelor de simulare a motorului;

Realizarea măsurătorilor rugozității celor două galerii de admisie;

Conceperea unui model de analiză virtuală a motorului cu ajutorul programelor de simulare GT-SUITE și Ricardo WAVE;

Realizarea unor simulări în mediul virtual, folosind programele de simulare AVL BOOST, GT-SUITE și Ricardo WAVE, pentru determinarea influenței rugozității galeriilor de admisie asupra umplerii;

Realizarea unei analize comparative a unor parametrii reprezentativi ai performanțelor modelului de motor simulat.

Direcții viitoare de cercetare

Cercetările teoretice, modelarea virtuală și simulările întreprinse în cadrul acestei lucrări și rezultatele acestora pot determina dezvoltarea următoarelor direcții de studiu:

– Efectuarea de noi simulări de procese și cicluri funcționale prin utilizarea și a altor modele existente în structura programelor AVL BOOST, GT-SUITE și Ricardo WAVE;

– Efectuarea unor simulări asupra performanțelor utilizării unor noi forme (geometrii) ale galeriilor de admisie modelate în programele GT-SUITE și Ricardo WAVE.

BIBLIOGRAFIE

Bâlc, G., Fabricarea și repararea autovehiculelor, Cluj-Napoca, Editura Risoprint, 2013;

Burnete, N., și alții, Motoare cu ardere internă, București, Editura Didactică și Pedagogică, 1995;

Bobescu, G., și alții, Motoare Pentru Automobile Și Tractoare, Vol. I Teorie și caracteristici, Chișinău, Editura TEHNICA 1996;

Chiodi, M., An Innovative 3D-CFD-Approach towards Virtual Development of Internal Combustion Engines, Wiesboden, Germania, Editura Springer Viewey+Teubner, 2011;

Georgescu, C., Toleranțe și control dimensional, Galați, Editura Scorpion, 2009;

Grunwald, B., Teoria, Calculul și Construcția Motoarelor Pentru Autovehicule Rutiere, ediția a II-a revăzută și completată, Editura Didactică și Pedagogică București, 1980;

Guizzetti, M., Colombo, T., Combined WAVE-VECTIS simulation of an intake manifold of V6 PFI gasoline engine, F.A. Powertrain Italia, Italy;

Hențiu, R., Metode de îmbunătățire a performanțelor MAS prin supraalimentarea cu ajutorul efectului de rezonanță în traseul de admisie, Anualele Universității “Constantin Brâncuși” din Târgu Jiu, Seria Inginerie, Nr.3 /2010;

Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, Massachusetts, USA, McGraw-Hill Series, 1988;

Khairul, R., One-Dimensional Simulation of a 4-Stroke SI Engine Employing Novel Cylinder Head Concept: Intake and Exhaust Flow Investigation, Universiti Malaysia Pahang, 6 December 2010;

Kriel, J.B., Engine Performance Improvement by Modelling of Airflow Through Intake Manifold, Tshwane University of Technology, South Africa, May 2008;

Mariașiu, F., Curs, Procese și caracteristici ale motoarelor cu ardere internă, Cluj-Napoca, 2013;

Meyer, J. Innovations in representation and calibration of residual gas fraction and volumetric efficiency in a spark ingnited, internal combustion engine, The Ohio State University, USA, 2008;

Millea, A., În lumea măsurătorilor și a unităților de măsură, București, Editura Agir, 2008;

Muhamnad, H.B.S., Development of variable intake system for spark-ignition engine, Universiti Malaysia Pahang, June 2012;

Qiaochu, H., A Preliminary Study on Intake Flow to Improve In-Cylinder Air Motion, University of Windsor, Ontario, Canada, 2013;

Varsos, G., 1-D Simulation of the intake manifold of a single-cylinder Engine, Imperial College, London, UK, March – September 2010;

Vișan, A., Ionescu, N., Toleranțe, Universitatea Politehnică, București, 2009;

Zhijun, L., Filipi, Z., Model Based Analysis of Performance-Cost Tradeoffs for Engine Manifold Surface Finishing, SAE World Congress Detroit, Michigan, USA, March 8-11, 2004;

***AVL LIST GMBH, AVL BOOST – USER`S GUIDE, 2013.1;

***Gamma Technologies, Inc., GT-SUITE Engine Performance Tutorials VERSION 7.3, 2012;

***http://www.autozine.org/technical_school/engine/Intake_exhaust.html[16/8/2014 2:28:49 PM];

***http://i37.photobucket.com/albums/e83/hard11/Cougar25dohc.jpg[16/8/2014 4:24:09 PM];

***https://nwmobilemechanicdotcom.wordpress.com/mechanic-research-papers/[5/25/2015 7:12:21 PM];

***https://d2lbrjk5lrhj5y.cloudfront.net/typo3temp/surplex/article/45/85/MAHR_M1_Oberflchenmessgert_Perthometer_4585771940700.jpg[23/7/2014 3:15:24 PM].

BIBLIOGRAFIE

Bâlc, G., Fabricarea și repararea autovehiculelor, Cluj-Napoca, Editura Risoprint, 2013;

Burnete, N., și alții, Motoare cu ardere internă, București, Editura Didactică și Pedagogică, 1995;

Bobescu, G., și alții, Motoare Pentru Automobile Și Tractoare, Vol. I Teorie și caracteristici, Chișinău, Editura TEHNICA 1996;

Chiodi, M., An Innovative 3D-CFD-Approach towards Virtual Development of Internal Combustion Engines, Wiesboden, Germania, Editura Springer Viewey+Teubner, 2011;

Georgescu, C., Toleranțe și control dimensional, Galați, Editura Scorpion, 2009;

Grunwald, B., Teoria, Calculul și Construcția Motoarelor Pentru Autovehicule Rutiere, ediția a II-a revăzută și completată, Editura Didactică și Pedagogică București, 1980;

Guizzetti, M., Colombo, T., Combined WAVE-VECTIS simulation of an intake manifold of V6 PFI gasoline engine, F.A. Powertrain Italia, Italy;

Hențiu, R., Metode de îmbunătățire a performanțelor MAS prin supraalimentarea cu ajutorul efectului de rezonanță în traseul de admisie, Anualele Universității “Constantin Brâncuși” din Târgu Jiu, Seria Inginerie, Nr.3 /2010;

Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, Massachusetts, USA, McGraw-Hill Series, 1988;

Khairul, R., One-Dimensional Simulation of a 4-Stroke SI Engine Employing Novel Cylinder Head Concept: Intake and Exhaust Flow Investigation, Universiti Malaysia Pahang, 6 December 2010;

Kriel, J.B., Engine Performance Improvement by Modelling of Airflow Through Intake Manifold, Tshwane University of Technology, South Africa, May 2008;

Mariașiu, F., Curs, Procese și caracteristici ale motoarelor cu ardere internă, Cluj-Napoca, 2013;

Meyer, J. Innovations in representation and calibration of residual gas fraction and volumetric efficiency in a spark ingnited, internal combustion engine, The Ohio State University, USA, 2008;

Millea, A., În lumea măsurătorilor și a unităților de măsură, București, Editura Agir, 2008;

Muhamnad, H.B.S., Development of variable intake system for spark-ignition engine, Universiti Malaysia Pahang, June 2012;

Qiaochu, H., A Preliminary Study on Intake Flow to Improve In-Cylinder Air Motion, University of Windsor, Ontario, Canada, 2013;

Varsos, G., 1-D Simulation of the intake manifold of a single-cylinder Engine, Imperial College, London, UK, March – September 2010;

Vișan, A., Ionescu, N., Toleranțe, Universitatea Politehnică, București, 2009;

Zhijun, L., Filipi, Z., Model Based Analysis of Performance-Cost Tradeoffs for Engine Manifold Surface Finishing, SAE World Congress Detroit, Michigan, USA, March 8-11, 2004;

***AVL LIST GMBH, AVL BOOST – USER`S GUIDE, 2013.1;

***Gamma Technologies, Inc., GT-SUITE Engine Performance Tutorials VERSION 7.3, 2012;

***http://www.autozine.org/technical_school/engine/Intake_exhaust.html[16/8/2014 2:28:49 PM];

***http://i37.photobucket.com/albums/e83/hard11/Cougar25dohc.jpg[16/8/2014 4:24:09 PM];

***https://nwmobilemechanicdotcom.wordpress.com/mechanic-research-papers/[5/25/2015 7:12:21 PM];

***https://d2lbrjk5lrhj5y.cloudfront.net/typo3temp/surplex/article/45/85/MAHR_M1_Oberflchenmessgert_Perthometer_4585771940700.jpg[23/7/2014 3:15:24 PM].