11

1. STABILIREA MRIMILOR SPECIFICE LA PROIECTAREA MOTOARELOR DE AUTOVEHICULE

1.1 Cerine impuse motoarelor de autovehicule

Condiiile de funcionare ale autovehiculelor impun motorului utilizat satisfacerea unor condiii care nu depind n principal de tipul motorului. Dintre cerinele care trebuiesc satisfcute cele mai importante sunt:

a) consum de combustibil redus pe o plaj de sarcini i turaii ct mai mare; b) emisiuni nocive reduse, pe ct posibil se vor adapta acele soluii constructive care au impact

asupra genezei noxelor i acioneaz n sensul diminurii acestora; c) mas specific ct mai redus fr a afecta rezistena i rigiditatea ansamblului; d) adaptabilitate la regimul de funcionare ale autovehiculului; e) pornire i funcionare sigur n limite largi ale temperaturii mediului ambiant; f) echilibrarea ct mai complet a forelor i momentelor de inerie ale maselor aflate n micare

de translaie i rotaie; g) adoptarea unui grad de neuniformitate care s nu afecteze demarajul lin al autovehiculului; h) siguran n funcionarea motorului ca sistem complex: motor-instalaii auxiliare; i) satisfacerea tuturor factorilor care influeneaz uzura motorului (materiale, calitate a

suprafeelor, tratamente termochimice, filtrare, etc); j) arhitectura motorului s dea posibilitatea unei deserviri uoare.

Proiectantul trebuie s analizeze cu atenie aceste cerine n concordan cu tipul motorului i natura autovehiculului pentru a se ajunge la cele mai bune soluii nc din faza de studiu, rmnnd ca pe parcursul proiectrii propriu-zise pe baza simulrilor de funcionare s se adopte acele detalii constructive care s conduc la satisfacerea tuturor acestor cerine. Verificarea i optimizarea construciei efectundu-se prin ncercri pe stand i de drum.

1.2 Stabilirea parametrilor i indicilor motoarelor pentru autovehicule

La ntocmirea studiului i elaborarea proiectului pentru motorul de autovehicul trebuie s se analizeze cu atenie tendinele mondiale n domeniu.

n ultimii ani legislaiile antipoluare au impus proiectanilor i constructorilor de motoare mutaii majore n abordarea soluiilor constructive, pentru a diminua nivelul de noxe la genez. Un alt factor major care determin noi presiuni n proiectare l constituie utilizarea unor materiale noi neconvenionale (materiale ceramice i compozite, fig. 1.1).

Studii recente au scos n eviden c o serie de componente ale motorului pot fi proiectate i confecionate din materiale neconvenionale care confer motorului noi performane privind: fiabilitatea; durabilitatea i greutatea acestuia.

O analiz pertinent a tendinelor de dezvoltare a motoarelor mici pentru autoturisme demonstraz o revenire n for a motorului n doi timpi att n varianta M.A.S. ct i n varianta M.A.C. Acest fapt a fost posibil datorit noilor studii privind procesele ce au loc n aceste motoare.

12

1.2.1 Stabilirea tipului motorului

Motorizarea autovehiculelor se poate realiza cu ajutorul motoarelor cu aprindere prin

scnteie, cu aprindere prin comprimare; n patru sau doi timpi n varianta cu aspiraie natural sau supraalimentate.

La alegerea tipului de motor stau criteriile privind indicii: de putere, economicitate,

ecologicitate, masa motorului i costul acestuia. Parametrii constructivi utilizai n proiectare sunt: puterea litric, puterea specific

corectat, masa litric i masa specific. Puterea litric reprezint criteriul de apreciere a gradului de utilizare a cilindreei

motorului

1

e

s

e

t

e

m

P = P

i V =

P

V =

p n

30.000

kw

l

1 (1.1)

unde: Pe - puterea nominal [kW]; Vt - cilindreea total [l]; pe - presiunea medie efectiv; n -turaia motorului; tm - coeficient care ine seama de numrul de timpi ai motorului. Valoarea puterii litrice d posibilitatea comparaie motorului din punct de vedere al perfeciunii procesului de lucru i al compactitii construciei. Cu ct valoarea puterii litrice va fi mai mare cu att motorul va fi mai compact i mai uor (Tabelul 1.1.)

Puterea specific corectat

sc

e

3 2P =

P

0,7854 i D S

kW

dm

2 (1.2)

unde: i - numrul de cilindri; D - alezajul cilindrului; S - cursa pistonului.

Fig. 1.1 Posibiliti de utilizare a materialelor

neconvenionale la proiectarea motoarelor

13

Masa litric (ml) este indicele care apreciaz consumul de metal pe unitatea de cilindree

l

t

m = m

V

kg

l

3(1.3)

unde: ml - masa litric; m - masa motorului; Vt - cilindreea total. Masa specific (mp) reprezint criteriul de evaluarea a consumului de metal pentru a

realiza un motor de putere unitar

p

e

m = m

P

kg

kW

4(1.4)

Lund n considerare relaiile (1.1) i (1.4) rezult

p

l

l

m = m

P5 (1.5)

Masa specific exprimat prin relaia (1.5.) face legtura ntre aspectele constructive exprimat prin masa litric i cele care privesc perfeciunea ciclului prin puterea litric exprimate prin nivelul presiunii medii efective i viteza motorului.

Tabelul 1.1

Valori ale puterii i masei litrice i specifice

Destinaia Tip Timpi Pl [kW/l]

ml

[kg/l]

mp

[kg/kW]

Autoturisme MAS 4* 15-36 75-120 7,0-4,0

4** 22-45 50-85 4,7-2,0

2 24-40 110-140 2,7-4,8

4 13-19 100-115 6,7-8,7

Automobile sport MAS 4 26-55 50-120 2,0-3,4

Automobile de curse MAS 4 52-150 45-70 0,4-1,1

Autocamioane MAS 4 20-30 80-120 3,0-8,8

MAC 4 15-25 90-100 4,7-15

2 18-30 130-150 6,4-9,5

*Motoare n linie

**Motoare n V

1.2.2 Stabilirea dimensiunilor fundamentale ale motorului

Alezajul D i cursa S constituie dimensiunile fundamentale ale motorului i determin cilindreea Vs.

ntre aceste dou mrimi exist o strns legtur dependent prin raportul = S/D care influeneaz asupra puterii litrice a motorului.

La motoarele cu aprindere prin scnteie se utilizeaz n general valori ale raportului S/D subunitar deoarece permite obinerea de valori ale puterii litrice superioare. Pentru a se obine valorile dorite pentru S/D, se poate majora alezajul meninnd S = ct, fie prin meninerea constant a valorii alezajului i micorarea cursei. n primul caz mrirea alezajului D este limitat de fenomenul de detonaie i solicitri termice mai ridicate, ns exist posibiliti sporite de mbuntire a seciunilor de trecere oferite de supapa de admisie ceea ce conduce la sporirea coeficientului de umplere. Aplicarea celui de al doilea procedeu permite pe lng obinerea raportului S/D dorit i a posibilitii de ridicare a turaiei motorului fr ca viteza medie a pistonului s depeasc valorile vitezei medii a pistonului impuse din condiiile de diminuare a randamentului mecanic i de cretere a uzurii, i mririi forelor de inerie.

Utilizarea unor rapoarte S/D subunitare prezint i avantajul unor nlimi mai reduse ale motorului ceea ce permite o amplasare mai bun pe automobil.

n cazul motoarelor cu aprindre prin comprimare, datorit valorilor mai reduse ale turaiei,

14

se adopt rapoarte S/D supraunitare. Aceasta conduce i la reducerea solicitrii organelor

motorului datorate forei maxime al gazelor F = p D / 4g 2max 6. Valoarea raportului S/D la MAC influeneaz intensitatea micrii organizate a aerului i deci procesele de formare a amestecului aer-combustibil i arderea.

n tabelul 1.2. se prezint valorile obinute statistic pentru raportul S/D i viteza medie a

pistonului wm = Sn/30. Tabelul 1.2.

Valori ale raportului S/D i vitezei medii a pistonului wm Destinaia Tip motor Numr

de Timpi

S/D

[-]

wm

[m-s]

Autoturisme MAS 4* 0,80-1,40 9-15

4** 0,80-1,40 9-15

2 0,80-1,10 8-12

MAC 4 0,96-1,30 10-12

Automobile sport MAS 4 0,77-1,04 14-17

Automobile de curse MAS 4 0,80-1,30 16-21

Autocamioane MAS 4 0,80-1,20 7-13

MAC 4 1,10-1,50 8-12

2 1,06-1,22 7-11

*Motoare n linie

**Motoare n V

Pe baza teoriei similitudinii, puterea litric poate fi exprimat prin relaia (1.6) n aa fel nct s se obin o putere ct mai ridicat pe unitatea de cilindru la o solicitare admisibil a acestuia.

v - factorul de compartimentare:

la v

5 2/ 3P =

4,33 10

7 (1.6)

unde: a - este factor de putere: a = pe wm [N/ms]

v - factorul de compartimentare: v

1

3

t

= i

V

8

- raportul curs alezaj. Pe baza datelor statistice s-a stabilit c factorul de compartimentare optim la motoarele

prin scnteie este 16,2 m-1

pentru Vt < 2 dm3 i 11,3 m-1 pentru Vt > 2 dm

3 , iar la motoarele cu

aprindere prin comprimare este cuprins ntre 9,0...11,5 m-1

.

Adoptnd o anumit valoare pentru puterea litric se poate calcula cilindreea motorului

t

e

l

V = P

P9 (1.7)

unde: Pe - puterea nominal [kW]. Numrul de cilindri se calculeaz din ecuaia de difiniie a factorului de compartimentare:

i = V3

v t 10 (1.8)

Cunoscnd capacitatea unui cilindru (Vs = Vt/i) i raportul curs alezaj ( = S/D) se poate determina valoarea alezajului D.

D = 4V s

3 11 (1.9)

iar cursa pistonului

S = D 12 (1.10)

La dispunerea cilindrilor se are n vedere att numrul acestora ct i destinaia motorului.

15

Motoarele care echipeaz autoturismele pentru a avea o nlime redus se realizeaz cu cilindrii n linie dispui nclinai. Aceeai soluie se aplic i pentru motoarele pentru autocamioane cu cabin avansat. Unghiul de nclinare este cuprins ntre 15...60o.

n cazul autobuzelor i la unele autoturisme dispunerea cilindrilor se poate realiza n linie n plan orizontal pe un rnd sau dou rnduri.

O variant avantajoas din punctul de vedere al nlimii, lungimii i masei motorului o constituie dispunerea cilindrilor n V la unghiuri cuprinse ntre 15...120

o. Soluia permite reducerea lungimii motorului cu pn la 30% i a masei cu aproximativ 25%, n plus, se mrete rigiditatea arborelui cotit.

Atunci cnd spaiul disponibil este suficient cilindri sunt dispui n linie vertical dac numrul de cilindri este pn la 6, peste acest numr se adopt dispunerea cilindrilor n form de V.

1.2.3 Stabilirea raportului de comprimare

La stabilirea raportului de comprimare se are n vedere faptul c acesta constituie un factor de forare a motoarelor, deoarece cu creterea raportului de comprimare crete i

randamentul indicat i, mbuntindu-se astfel performanele de dinamicitate i economicitate ale acestora.

Adaptarea unor valori ridicate ale raportului de comprimare determin valori ridicate ale presiunii i temperaturii la sfritul procesului de comprimare, sfritul arderii i nceputul destinderii. n cursa de destindere gazele se destind mai puternic, astfel c, la sfritul procesului de destindere valorile presiunii i temperaturii gazelor vor fi reduse. Rezultatul direct al unui raport de comprimare ridicat este reducerea temperaturii medii a ciclului, ceea ce conduce la

reducerea intensitii transferului de cldur prin perei. n cazul motoarelor cu aprindere prin scnteie este determinant a se adopta o valoare a

raportului de comprimare care s in seama de caracteristicile constructive ale motorului i de calitatea combustibilului (cifra octanic).

La motoarele cu aprindere prin comprimare alegerea raportului de comprimare se face n

funcie de procedeul de formare a amestecului pentru a asigura pornirea motorului cu aprinderea i arderea sigur cu un consum redus de combustibil. Influena raportului de comprimare asupra unor parametri ai motorului se prezint n tabelul 1.3.

Tabelul 1.3.

Influena raportului de comprimare asupra unor parametri ai ciclului motor

Parametru Tip motor [-]

pA

[MPa]

TA

[K]

pmax

[MPa]

e [-]

Aspiraie natural MAS 7-10 0,09 330 3,5-5,0 0,20-0,32 MAC 17-23 6,0-8,0 0,25-0,35

Supraalimentat MAS 6-8 0,12-0,20 360 5,0-6,5 0,25-0,33

MAC 15-17 400 8,0-11,0 0,35-0,40

Supraalimentat MAC 11-15 0,15-0,25 320 10,0-13,0 0,40-0,44

cu rcire intermediar 350

n funcie de tipul camerei de ardere la motoarele cu aprindere prin comprimare se poate adopta o valoare din limitele stabilite n tabelul 1.4.

Tabelul 1.4

Valori ale raportului de comprimare la MAC

Tipul camerei

de ardere

Raportul de

comprimare

Camer de ardere

Micare de intensitate redus a aerului

11-15

unitar Micare de intensitate ridicat 15-18

16

a aerului 17-20*

Camer Camer de turbulrn 18-22

divizat Antecamer 19-23

* la motoarele pentru autoturisme

1.2.4 Stabilirea raportului ntre raza manivelei i lungimea bielei

Stabilirea unor valori optime ntre raza manivelei i lungimea bielei prezint importan n faza de proiectare, deoarece influeneaz att construcia motorului ct i parametrii funcionali ai acestuia.

Bielele lungi (b = r/l = 0,20,25, unde r = S/2) conduc la valori mai reduse ale componentei normale a forei rezultante, aceasta determinnd diminuarea uzurii cilindrului i pistonului ceea ce permite reducerea mantalei pistonului. Soluia implic importante dezavantaje cum ar fi: mrirea nlimii motorului i deci i a greutii motorului; reducerea rigiditii i mrirea masei bielei.

Bielele scurte prezint avantajul unei mase reduse i a unei rigiditi sporite. La aceast soluie poate exista pericolul ca biela s ating marginea inferioar a cilindrului.

Pentru motoarele de automobil valorile uzuale pentru b se afl cuprinse ntre limitele 0,25...0,35, limita inferioar fiind caracteristic motoarelor cu aprindere prin comprimare.

La motoarele cu aprindere prin comprimare destinate tractoarelor b are valori cuprinse ntre 0,26 ... 0,29, pentru a se micora masa acestora.

1.2.5 Stabilirea unor parametrii necesari calculelor la proiectare sau verificarea acestora

n procesul de proiectare o serie de parametri sunt adoptai pe baza datelor statistice (Tabelul 1.5).

Tabelul 1.5

Valorile parametrilor iniiali i ai schimbului de gaze

Denumirea parametrului Parametrul MAS MAC

Temperatura iniial To [K]

293 293

Presiunea iniial po [MPa]

0,102 0,102

Temp. gaze reziduale Tr

[K]

900-1100 700-900

Presiunea gazelor reziduale pr

[MPa]

0,105-0,125 0,105-0,125

Coeficient de exces de aer 0,85-1,0 1,25-2,25 Raportul de comprimare 7,5-11 14-23 Presinunea la sfritul admisiei PA

[MPa]

0,07-0,09 0,085-0,093

Prenclzirea amestecului t [oC]

15-40 10-25

Coeficientul de postumplere 1,05-1,20 1,05-1,20 Exponentul politropic de compresie n1 1,32-1,39 1,36-1,4

Exponentul politropic al destinderii n2 1,23-1,30 1,18-1,28

Coeficientul de utilizare a cldurii 0,85-0,95 0,75-0,90 Coeficientul de rotunjirea

diagramei

r 0,94-0,98 0,94-0,98

17

Coeficientul de cretere a presiunii 2,85-4,50 1,3-2,5 Coeficientul de corecie a presiunii 2 0,75-0,85

(0,95)

-

La motorul cu aprindere prin comprimare sunt parametri caracteristici care depind de tipul

camerei de ardere (Tabelul 1.6.)

Tabelul 1.6.

Valorile parametrilor ce depind de tipul camerei de ardere Parametrul Camer de ardere Camere de ardere divizate

unitar Camer de turbulen Antecamer 1,5-1,6(2,25) 1,3-1,4 1,25-1,30 nn

[rot/min] 1800-3000 3500-4500 3500-5000

c [g/kWh]

195-245 235-260 260-285

pe [MPa]

0,65-0,75 0,65-0,72 0,6-0,8

pmax [MPa]

6,5-8,5(90) 5,5-7,0 45-65

1,5-2,5 1,6-1,8 1,3-1,6

Pentru fazele de distribuie se pot adopta unghiurile de avans la deschidere i de ntrziere la nchiderea supapelor fa de PMS i PMI n funcie de tipul motorului i turaia de funcionare a acestuia (Tabelul 1.7.)

Tabelul 1.7

Valorile unghiurilor de avans i de ntrziere la deschiderea i nchiderea supapelor

Admisie Evacuare

Tipul motorului deschidere

naintea PMS

[oRAC]

nchidere dup PMI

[oRAC]

deschidere

naintea PMS

[oRAC]

nchidere

dup PMI [oRAC]

Motoare cu aprindere 10-40 20-45 30-50 10-35

prin comprimare

Motoare cu aprindere 10-20 45-70 40-60 15-30

prin scnteie

Motoare

supraalimentate

45-60 40-50 40-45 45-60

Obs. Valorile mici sunt pentru motoare lente, iar valorile mari pentru motoare rapide.

La calculul procesului de ardere sunt necesare mrimile care in de natura combustibilului i de formare a amestecului carburant (Tabelul 1.8).

Tabelul 1.8

Caracteristicilor ale combustibilor pentru motoarelor autovehiculelor

Compoziia Cmin Lmin Qi Combustibil Qi [kg/kg]

c h o [kg/kg] [kmol/kg] [kg/kg] [kmol/kg] [kJ/kg]

Benzin 0,854 0,142 0,004 3,391 0,1065 14,8 0,5073 43500

Motorin 0,857 0,133 0,010 3,332 0,1043 14,5 0,4966 41868

Iar pentru calcule sau verificri se pot folosi parametri prezentai n tabelul 1.9.

Tabelul 1.9

Motor Timpi pi [MPa] i u r b MAS 4

0,85-1,45

0,25-0,36

0,75-0,85

0,06-0,12

+1

3,5 -

1

4,21

18

2 0,55-0,95 0,23-0,28 3

MAC 4

2

0,75-1,50

0,65-1,00

0,29-0,45

0,28-0,45

0,75-0,90

0,03-0,06

+1

3,5 -

1

4,21

4

La verificarea corectitudinii valorilor adoptate sau calculate se poate utiliza tabelul 1.10.

Tabelul 1.10

Destinaia Tip motor

Timpi nn [rpm]

m [-]

=S/D [-]

wm

[m/s]

Pl

[kW/l]

Autoturisme MAS 4L 3600-6000 0,85-0,75 0,80-1,40 9-15 15-36

4V 3600-6000 0,85-0,75 0,80-1,40 9-15 22-45

MAC 4 3800-4400 0,82-0,75 0,96-1,30 10-12 13-19

Automobile

sport

MAS 4 5800-6500 0,80-0,73 0,77-1,04 14-17 26-55

Automobile

de curse

MAS 4 6000-

10000

- 0,80-1,30 16-21 52-150

Auto- MAS 4 3500-5000 0,85-0,75 0,80-1,20 7-13 18-40

camioane MAC 4 1800-3500 0,82-0,75 1,10-1,50 8-12 8-18

MAC 2 1800-3000 0,80-0,70 1,06-1,22 7-11 18-30

1.3 Regimul de funcionare al motorului la care se efectueaz calculul de proiectare

n timpul funcionrii motorului piesele acestuia sunt solicitate de fore i momente cu caracter variabil, de aceea este necesar ca verificarea prin calcul a acestor piese s se realizeze pentru condiiile cele mai grele de solicitare.

La motoarele cu aprindere prin scnteie se consider urmtoarele regimuri caracteristice pentru calculul pieselor:

- regimul cuplului maxim la o turaie de nM = (0,4...0,5) nn presiunea gazelor din cilindru la sfritul arderii atinge valorile maxime:

- regimul puterii nominale a motorului la turaia nn; - regimul turaiei maxime de mers n gol nmax; la care forele de inerie ating valorile

maxime.

La motoarele cu aprindere prin comprimare valorile maxime ale presiunii de ardere

depind de tipul camerei de ardere i de procedeul de formare a amestecului aer combustibil i nu ntotdeauna se ating la regimul cuplului maxim, de regul aceste valori se ating la regimurile puterii nominale.

La aceste motoare se recomand urmtoarele regimuri pentru calculul pieselor: - regimul puterii nominale la turaie nominal (nn); - regimul turaiei maxime de mers n gol (nmax). Calcul de rezisten pentru piesele motorului se realizeaz n condiii de funcionare

staionare, cu toate c regimurile nestaionare au o pondere important n exploatare este dificil cuantificarea prin calcul.

n timpul funcionrii motoarelor la anumite regimuri se produc deformaii, de accea calculul de rezisten al pieselor trebuie s le aib n vedere, fie la piesa luat n calcul, fie la piesa conjugat. Luarea n considerare a caracterului dinamic al forelor prezint dificulti suplimentare, calculul pieselor motorului realizndu-se la sarcini statice i cu considerarea deformaiilor numai n domeniul elastic.

19

n cazul pieselor supuse la solicitri variabile, la calculul rezistenei la oboseal trebuie s se aib n vedere c amplitudinea tensiunilor are o influen mai mare dect tensiunile maxime.

Implementarea de noi metode de abordare a calculului pieselor motorului pot s simuleze solicitarea i comportarea piselor n funcionare.