Economicitatea motoarelor cu aprindere prin scanteie (m.a.s.)

ECONOMICITATEA MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN SCANTEIE (M.A.S.)

2.

CONSIDERATII GENERALE

Dupa cum putem constata in ultimii 20 de ani, in legislatia romaneasca si europeana se impun reglementari din ce in ce mai stricte cu privire la nivelul de poluare emis de autovehicule. In acelasi timp, toti constructorii tind sa propuna clientilor autovehicule avand un consum cat mai mic, in conditii de cuplu si putere maxime, cu un confort cat mai ridicat in conducere.

3.

Pentru indeplinirea acestor deziderate, motorul trebuie sa poata furniza cel mai bun raport

RANDAMENT - PUTERE - CONSUM - POLUARE

La M.A.S., sistemele de alimentare prin injectie pot raspunde satisfacator acestor conditii.

Trebuie subliniat faptul ca puterea, cuplul motor, consumul/poluarea si fiabilitatea sunt cerinte fundamentale ale unui motor, aceste caracteristici fiind determinate de:

Starea mecanica a motorului (distributie, compresie, nivel uzura .)

Starea sistemului de evacuare

Starea sistemului de aprindere

Starea sistemului de alimentare aer/benzina

Calitatea carburantului

Concluzii :

Starile de mai sus influenteaza direct calitatea energiei furnizata de motor.

In cazul in care motorul nu functioneaza corect, este inutil a acuza sistemul de injectie, fara a verifica ansamblul elementelor mecanice.

Asadar, inainte de a interveni asupra sistemul de injectie, trebuie revazuti factorii de care depinde procesul de ardere intr-un motor.

4.

NOTIUNI FUNDAMENTALE PRIVIND PROCESELE DE ARDERE LA M.A.S.

Arderea este ansamblul de fenomene legate de combinarea unui carburant si a unui comburant, in cadrul unei transformari chimice, in vederea recuperarii energiei chimice continute de carburant. Pentru un motor, comburantul este pur si simplu aerul. El este compus din 79% azot (N₂), 20% oxigen (O₂) si 1% gaze rare.

Carburantul este un compus din hidrogen si carbon (hidrocarbura HC).

5.        

Indicele octanic

Indicele octanic arata usurinta pe care o are respectivul carburant de a se autoaprinde. El este obtinut pe un motor monocilindric standardizat, prin compararea carburantului respectiv cu un carburant etalon care poate fi:

Heptanul caruia ii este atribuita cifra « 0 » ( carburantul se autoaprinde usor )

Izooctanul caruia ii este atribuita cifra « 100 » (carburantul rezista la autoaprindere)

Ex.: Benzina fara plumb 95 se comporta ca un amestec compus din 95% izooctan si 5% heptan.

Tetraetilul de plumb care servea la cresterea indicelui octanic al benzinei, a fost eliminat progresiv si inlocuit cu aditiv pe baza de potasiu pentru carburantul « clasic ». Pentru carburantul « fara plumb » functia anti-detonatie este asigurata de compusi oxigenati organici (alcooli, eteri) si de substante aromatice (benzenul C₆ H₆).

6.

Calitatea amestecului

Calitatea si proportiile acestora trebuie sa duca la o ardere cat mai completa. Pentru a putea sa arda (pentru a fi combustibil), un amestec aer-benzina trebuie sa fie :

Gazos

Dozat

Omogen

7.

Amestec gazos

Benzina in stare lichida arde greu, in comparatie cu vaporii de benzina. De aceea, benzina trebuie sa treaca din stare lichida in stare gazoasa, iar aceasta se realizeaza prin pulverizare.

8.

Amestec dozat

Imbogatirea amestecului carburant este raportul intre dozajul real si cel ideal. Un amestec sarac (R<1) contine mai putin carburant, un amestec bogat (R>1) contine mai mult carburant.

Referat: Ferastrau circular cu masa mobila Referat: Criterii pentru aprecierea rezistentei la foc

9.

Lambda este raportul intre dozajul ideal si cel real. Un amestec sarac (l > 1) contine mai mult aer iar un amestec mai bogat (l < 1) mai putin aer.

Pentru motoarele moderne prevazute cu sisteme de depoluare, se cauta ca amestecul sa fie foarte aproape de un raport stoechiometric corespunzator dozajului ideal de 1/14,8.

10.

OBSERVATII

La turatia de mers in gol (relanti), datorita presiunii scazute, umplerea cilindrilor este insuficienta, iar un amestec sarac nu se va aprinde; pentru aceasta, la acest regim de functionare trebuie ca dozajul sa corespunda unui amestec mai bogat decat cel ideal.

La fel se intampla in cazul pornirilor la rece, cand din nou trebuie asigurat un amestec carburant bogat, camera de ardere fiind rece (vaporii de benzina condenseaza) si turatia motorului (presiunea in cilindri si umplerea acestora) scazuta.

11.

Amestec omogen

Un amestec omogen este un amestec care are aceeasi compozitie in tot volumul sau.

Omogenitatea influenteaza viteza de ardere.

12.

Principiile arderii intr-un MAS

Arderea amestecului carburant este insotita de o puternica crestere de temperatura si presiune in camera de ardere.

Acest fenomen permite recuperarea unei forte pe capul pistonului si, impreuna cu mecanismul biela-manivela, crearea CUPLULUI MOTOR.

Arderea normala se propaga cu o viteza de aproximativ 30m/s. Fiecare strat de amestec se aprinde succesiv. Astfel, presiunea si temperatura cresc progresiv in camera de ardere.

13.

Amorsarea

Pentru ca un amestec aer-benzina sa se aprinda trebuie adus un punct din masa sa gazoasa la o temperatura suficient de mare numita TEMPERATURA DE APRINDERE

Propagarea

Incepand din acest punct, amestecul incepe sa se aprinda in etape succesive iar avansarea frontului de flacara se face in etape progresive si regulate. 

Nu trebuie confundata ARDEREA cu EXPLOZIA.

14.

Arderea ideala

Ceea ce s-a prezentat mai sus este o ardere elementara. Practic ea trebuie sa raspunda mai multor cereri :

In plus, arderea amestecului nu este instantanee. Intre aparitia flacarii si arderea completa este nevoie de aproximativ 2 ms.

Pentru ca presiunea rezultata in urma arderii sa fie corect sincronizata cu pozitia motorului, este indispensabila aprinderea amestecului inaintea PMS functie de :

- turatie,

- presiune colector,

- temperatura apa si aer.

In concluzie :

- o ardere cat mai rapida este mai buna.

- o ardere completa conduce la o poluare scazuta si randament bun.

15. MAS cu injectie directa - principiul de functionare

DETALII

Pentru a ridica presiunea combustibilului la valoarea necesara de 100 bar, se foloseste o pompa de inalta presiune, actionata direct de axul cu came al admisiei.

Aceasta alimenteaza, printr-o conducta distribuitoare de combustibil (Common Rail), injectoarele de mare presiune corespunzatoare fiecarei conducte de admisie in chiulasa.

Printr-o comanda electromagnetica a injectorului este posibila o injectie precisa a combustibilului la momentul optim in camera de ardere.

16.

Injectia stratificata de combustibil  FSI

(Fuel Stratified Injection)

Una dintre metodele cele mai des folosite in ultimii ani este injectia directa de benzina, avand drept componenta de performanta injectia stratificata de combustibil, asa-numita FSI (Fuel Stratified Injection).

La VW injectia directa de benzina a inceput in anul 2000 prin modelul Lupo FSI. In 2001 a urmat Audi A4.

Din 2002 si Golful de 1,6 litri are injectie directa. Alte modele au urmat dupa 2003: Audi A3, noul Golf 5 in multiple versiuni de motorizare.

Din punct de vedere al omogenitatii amestecului carburant, o componenta esentiala o reprezinta o flansa intercalata intre chiulasa si galeria de admisie, care contine o zona de turbulenta in calea curentului de aer.

17.

Particularitati in functionarea M.A.S. cu injectie directa FSI

La sarcini partiale, M.A.S. cu injectie directa de la VW este alimentat cu un amestec carburant puternic saracit (caracterizat printr-un puternic exces de aer), care, daca ar fi fost creat intr-o configuratie constructiva clasica de M.A.S., nu ar fi fost combustibil (nu ar fi propice realizarii aprinderii).

Datorita puternicei laminari a curentului de aer, se reduc drastic schimburile de incarcatura, iar pierderile de caldura devin minime. Acestea sunt calitatile esentiale si definitorii care asigura pentru M.A.S. cu injectie directa o economicitate cu pana la 15%.

Axul cu came de admisie este reglabil cu pana la 40⁰ si asigura o curgere imbunatatita a fluxului de aer la admisie la turatii joase si medii, inclusiv pentru recircularea gazelor de carter - in vederea reducerii emisiilor poluante.

Datorita pulverizarii benzinei direct in camera de ardere, caldura care ar fi fost generata de procesul de pulverizare nu se mai manifesta in galeria de admisie, deci temperatura in galeria de admisie va fi mai scazuta. Aceasta conduce la o mai puternica racire interioara a camerei de ardere din chiulasa.

Urmarea este aceea ca raportul de compresie poate fi crescut fara riscul aparitiei detonatiilor si autoaprinderii. La Audi FSI acest raport de compresie a fost stabilit la valoarea de 11,5:1. Prin acest raport de compresie crescut, randamentul s-a ridicat deja la amestecurile omogene.

18.

Principalele regimuri de functionare ale motorului FSI

Deosebiri la Audi A3 FSI

Clapeta separatoare este reglabila gradual.

Deosebiri la Golf 5 FSI

Acesta lucreaza cu trei regimuri de amestec

Amestec stratificat

Amestec omogen saracit

Amestec omogen

19.

In regimul de amestec stratificat, la sarcini si turatii mici, clapeta separatoare din galeria de admisie este complet inchisa, aerul va fi laminat si dirijat, injectia de benzina se produce cu putin inaintea aprinderii, se produce un glob de amestec combustibil in imediata apropiere a bujiei, in afara acestuia exista o perna izolatoare de aer (amestec foarte sarac l=3),  care reduce pierderile de caldura.

Pistoanele au forme care ajuta la dirijarea aerului in sensul formarii unui glob de amestec bogat spre bujie.

In regimul tranzitoriu (omogen saracit), injectia se produce mai in avans decat la cel stratificat, clapeta separatoare este inchisa, dozajul este l=1,4, nu se practica recircularea gazelor de esapament.

In regimul omogen, la turatii de peste 3000 rot/min, dozajul ajunge la valoarea l=1 comportamentul este similar cu un M.A.S. aspirat, injectia se produce in faza de admisie, clapeta separatoare este deschisa, reglarea debitului de aer se face prin clapeta de acceleratie, racirea interioara este mai eficienta, raportul de compresie ridicat (12:1).

Presiunea pompei de injectie cu pistoane radiale se situeaza intre 50-110 bar.

20.

Cercetari si realizari in domeniul amestecurilor stratificate

Specialistii de la VW au reusit coborarea sub pragul de 3 litri/100 km in cazul consumului de motorina in anul 1999. In ceea ce priveste MAS, in ciuda eforturilor depuse, reducerea consumului nu a fost semnificativa. Pentru realizarea acestui deziderat, incepand cu anul 2000 au fost realizate primele motoare cu injectie directa de benzina cu amestecuri stratificate (FSI).

Regimul de functionare stratificat

Pentru a putea realiza acest exces de aer, care conduce la reducerea drastica a consumului de combustibil, motorul trebuie sa functioneze cu un amestec carburant stratificat.

In acest mod de functionare, amestecul carburant se concentreaza in apropierea bujiei amplasata central, iar la marginile camerei de ardere se afla aer curat. Rezulta o economisire a combustibilului si in acelasi timp patura de aer care inconjoara amestecul carburant se comporta ca un izolant termic care reduce pierderile de caldura.

La motorul FSI de la VW, orientarea curentului de aer se face cu ajutorul asa numitului Tumblesystem care consta dintr-un perete despartitor, care imparte conducta de admisie in doua zone: superioara si inferioara. Atasat se afla o clapeta care permite admisia aerului prin doua modalitati: prin zona superioara (atunci cand clapeta este inchisa) sau prin toata suprafata conductei de admisie (cand este deschisa).

In configuratia de amestec stratificat, clapeta este inchisa, situatie in care in camera de ardere este introdus un curent de aer puternic, in forma laminata. In acest caz, benzina este injectata in ultima treime a cursei ascendente a pistonului. In urma combinarii dintre curentul laminat de aer si geometria speciala a pistonului, care orienteaza curentul laminar de aer si benzina, se formeaza asa-zise "globuri" de amestec carburant avand in compunere particule de benzina, care se concentreaza spre bujie realizand o aprindere eficienta si sigura. Ajustarea parametrilor de injectie (avansul la injectie, presiunea de injectie) este realizata de modulul electronic de control al motorului (ECU).

Regimul de functionare omogen

La turatii foarte inalte sau la sarcina totala, motorul FSI functioneaza ca un motor conventional cu injectie in galeria de admisie, dar cu un randament mai ridicat datorita presiunii de injectie mai mari. Benzina este injectata in tot timpul cursei de admisie a pistonului, pentru ca omogenitatea amestecului aer-combustibil sa fie realizata in intregime. Pentru a asigura motorului o cantitate mai mare de aer, clapeta separatoare se deschide lasand intreaga sectiune a galeriei de admisie disponibila pentru curentul de aer.

Sistemul cu clapeta separatoare permite combinarea dintre modul economic de functionare stratificata si valorile foarte bune ale puterii si momentului motor.

Regimul stratificat este limitat atat ca si presiune medie, datorita greutatii formarii amestecului si a temperaturilor crescute ale acestuia, cat si in plaja de turatii, datorita timpului foarte scurt de injectie ramas odata cu cresterea turatiei.

Consumul mediu se situeaza la sub 5 litri pentru Lupo FSI (cu caroserie usoara si cutie automata) si la 5,6 litri pentru Lupo FSI versiune normala. Valorile emisiilor de CO₂ sunt foarte scazute, fiind cuprinse intre 119 - 134 g/km. Trebuie totusi remarcat faptul ca nivelul redus al consumului de combustibil se atinge doar la regimuri partiale de turatie si sarcina, deci la regimurile de functionare cu amestec carburant stratificat. Adesea in practica se foloseste potentialul maxim al motorului. In acest caz, este inca necesara continuarea activitatii de cercetare pentru a atinge la injectia directa de benzina a aceleiasi economicitati pe care ne-o ofera injectia directa diesel.