1. Caracteristicile motoarelor cu ardere internă Introducere Caracteristici de reglaj Caracteristica de consum de

Transcript

1 1. Caracteristicile motoarelor cu ardere internă Introducere Caracteristici de reglaj Caracteristica de consum de combustibil Caracteristica de avans Caracteristici funcţionale Caracteristica de sarcină Caracteristica de turaţie Caracteristica de regulator Caracteristici complexe Caracteristica de pierderi

2 1. Caracteristicile motoarelor cu ardere internă 1.1. Introducere Caracteristicile motoarelor cu ardere internă sunt reprezentări grafice ale variaţiei unor indici şi mărimi ale motorului în funcţie de o altă mărime caracteristică a acestuia care influenţează caracteristicile sale energetice şi de economicitate. Aceste caracteristici se determină experimental. La unele caracteristici variabila independentă este un factor de reglaj (avansul la producerea scânteii electrice, avansul la injecţie sau dozajul). Ele se numesc caracteristici de reglaj şi sunt necesare pentru determinarea reglajului optim, în perioada de punere la punct a motorului. Caracteristicile funcţionale se ridică în raport de un factor funcţional (sarcina sau turaţia), apreciind calitatea de ansamblu a motorului şi comportarea lui în exploatare Caracteristici de reglaj Caracteristica de consum de combustibil Caracteristica de consum de conbustibil prezintă variaţiile putrii efective, consumului specific de combustibil şi coeficientului de exces de aer în funcţie de consumul orar de combustibil, la turaţie constantă. Pentru păstrarea turaţiei constante se modifică momentul rezistent aplicat motorului (reglajul frânei) la fiecare schimbare a debitului de combustibil. Pentru m.a.s. cu carburator caracteristica se obţine păstrând constantă şi deschiderea obturatorului. Variaţia consumului de combustibil se obţine prin utilizarea unor jicloare de dimensiuni diferite. Pentru turaţia şi poziţia obturatorului la care se face determinarea se stabileşte consumul orar pentru economicitatea maximă la dozajul economic şi cel pentru puterea maximă la dozajul de putere. Reglajul optim al carburatorului trebuie să asigure încadrarea consumului orar între cel economic şi cel de putere la orice regim de funcţionare. Stabilirea acestui reglaj necesită determinarea caracteristicilor de consum de combustibil la mai multe turaţii, la fiecare turaţie introducând mai multe deschideri ale obturatorului. La motoarele cu injecţie de benzină, pentru fiecare poziţie a obturatorului se variază debitul de benzină injectat. Motoarele cu catalizatori funcţionează la un exces de are cvasiconstant, în jurul valorii de 1, astfel încât această caracteristică nu mai este necesară. 2

3 Caracteristica de consum la m.a.s 35 1, ce [g/kwh] 1,1 1,8 1, Turatie constanta 1,4 1,2 1,98 1 Polul economic,96 5 Puterea maxima,94,92,9,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Consumul orar de combustibil pe ce lamda Figură 1 Caracteristica de consum la m.a.s. Caracteristica de consum la m.a.c. se ridică modificând poziţia cremalierei pompei de injecţie. Se definesc consumurile corespunzătoare polului economic, puterii maxime şi consumul maxim de combustibil, la care puterea scade, datorită înrăutăţirii arderii, din cauza condiţiilor locale proaste se formează fum negru şi se pot produce uzuri importante. Caracteristica de consum la m.a.c Turatie constanta ce [g/kwh] Polul economic 1 Puterea maxima,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Consumul orar de combustibil pe ce lamda Figură 2 Caracteristica de consum la m.a.c. 3

4 Pentru a asigura o bună funcţionare a motoarelor diesel se stabileşte o limită admisibilă de consum orar pentru fiecare turaţie. Funcţionarea cu consumuri mai mari decât cele limită nu este admisă nu este permisă din cauza uzurii importante a pieselor motorului, chiar dacă apare o pierdere relativă de putere Caracteristica de avans Caracteristica de avans la producerea scânteii electrice şi caracteristica de avans la injecţie arată influenţa fiecăruia din aceşti factori, la m.a.s şi respectiv la m.a.c., asupra puterii efective şi consumului specific de combustibil. Caracteristica de avans se ridică la sarcină şi turaţie constantă, menţinând neschimbată poziţia obturatorului sau cremalierei pompei de injecţie şi modificând momentul rezistent cu avansul pentru a menţine turaţia constantă. Caracteristica de avans 25 Consum specific 2 15 Consum orar 1 Putere 5 Avans optim avans putere consum specific Consum orar Figură 3 Caracteristica de avans În condiţiile încercării caracteristicii de avans consumul de combustibil rămâne constant. Ca atare se poate evidenţia avansul optim β opt la care se obţine simultan puterea maximă şi consumul specific minim. Pentru aceiaşi sarcină se determină caracteristica de avans la mai multe turaţii, stabilind pentru fiecare avansul optim. Ca urmare se poate trasa variaţia avansului optim cu turaţia, la sarcină constantă. De asemenea, se poate trasa variaţia avansului, la turaţie constantă, în raport cu sarcina. Din combinaţia acestor două caracteristici rezultă o suprafaţă ce reprezintă avansurile optime pentru fiecare punct de funcţionare al motorului. 4

5 Avans Avansul Turatia Avans sarcina Avans Figură 4 Variaţia avansului funcţie de sarcină şi turaţie Avans Turatie Sarcina Curbele de avans optim sunt necesare pentru construirea dispozitivelor care realizează automat variaţia avansului cu turaţia şi sarcina. Dacă vorbim despre dispozitive electronice de variaţie a avansului acestea vor evalua pentru fiecare punct de funcţionare al motorului sarcina şi turaţia, după care vor citi din harta tridimensională avansul optim al acestui punct. Pentru dispozitivele mecano-pneumatice avansul se modifică mecanic cu ajutorul unui dispozitiv centrifugal (variaţia cu turaţia) şi cu un dispozitiv de determinare a depresiunii (cu membrană) pentru definirea sarcinii Caracteristici funcţionale Caracteristica de sarcină Caracteristica de sarcină prezintă variaţia cu sarcina a consumului orar şi a consumului specific efectiv de combustibil la turaţie constantă. Variaţia sarcinii se obţine prin modifi- 5

6 carea poziţiei organului de comandă al motorului (obturator sau cremalieră pompă de injecţie) iar turaţia este menţinută constantă din momentul rezistent la frână. La mesul în gol consumul are o valoarea definită ca C mg, iar puterea efectivă este nulă, deoarece puterea indicată este egală cu cea a pierderilor mecanice. Consumul specific efectiv este infinit, iar puterea efectivă este nulă. Caracteristica de sarcina la m.a.s ,5 4 3, , ,5 1,5 Consum minim putere Consum orar Consum specific La m.a.s. trecerea la sarcini parţiale determină îmbunătăţirea proceselor funcţionale prin micşorarea pierderilor în timpul umplerii la deschiderea progresivă a clapetei obturatorului. Puterea indicată va creşte permanent, iar consumul indicat de combustibil, c i, se reduce prin creşterea randamentului, cel indicat c e având o creştere şi mai importantă datorată scăderii ponderii pierderilor mecanice în bilanţul global de energie. Consumul are o valoare minimă în jurul valorii de 8% din ceea ce se va stabili ca fiind sarcina plină. În domeniul suprasarcinilor, consumul specific efectiv va creşte datorită scăderii accentuate a excesului de aer, dar puterea creşte rezultând o putere maximă intermitentă P ei. Acest tip de caracteristică permite determinarea pe standul de încercări a performanţelor motorului la turaţie constantă şi limitarea puterii acestuia din diferite considerente (reducerea solicitărilor asupra pieselor, elemente legate de emisia compuşilor poluanţi, etc.). La MAC consumul specific efectiv de combustibil prezintă valori reduse pe o gamă relativ largă de sarcini ce efect al funcţionării cu excese de aer mai mari ca 1 pe tot domeniul de funcţionare. Puterea se limitează din aceleaşi considerente ca la m.a.s., una din primele bariere care apare fiind cea legată de apariţia fumului negru în gazele de ardere. 6

7 Acest tip de caracteristică este destinat în principal acordării unui motor cu un echipament de alimentare cu combustibil şi determinării punctelor de funcţionare ale acestuia, în condiţiile iniţiale în care se face reglarea acestuia Caracteristica de turaţie Caracteristicile de turaţie evidenţiază variaţiile puterii efective, momentului motor efectiv şi consumurilor de combustibil (orar şi efectiv) în raport cu turaţia la diverse sarcini constante. Caracteristica de turaţie la sarcină totală se determină la m.a.s. cu obturatorul complet deschis, iar la m.a.c. cu tija de reglaj a cremelierei pompei de injecţie în poziţia corespunzătoare debitului de combustibil maxim. Prin modificarea momentului rezistent la frână se obţine variaţia de turaţie între valoarea minimă şi valoarea maximă. Pentru motoarele actuale se asigură şi reglaje optime ale avansului pe tot domeniul de turaţii în care funcţionează motorul şi astfel că se obţine puterea maximă corespunzătoare fiecărei turaţii, din acest motiv această caracteristică se numeşte caracteristică externă. Figură 5 Caracteristica de turaţie şi variaţia momentului la m.a.s. Pentru o caracteristică externă a motoarelor cu aprindere prin scânteie turaţia maximă depăşeşte turaţia la care se atinge puterea efectivă maximă. Dacă se analizează legătura dintre putere şi presiune medie efectivă, P = p V n i = p const n variaţia puterii este e e s e proporţională cu presiunea medie efectivă şi cu turaţia. La turaţii mari umplerea se înrăutăţeşte datorită pierderilor gazodinamice mari şi presiunea medie efectivă scade. La turaţii mici presiunea medie efectivă scade datorită faptului că fazele de distribuţie nu sunt optime pentru aceste turaţii. Pentru turaţiile ridicate mai apar şi pierderi mecanice ridicate 7

8 (legate de funcţionarea instalaţiilor anexe şi de frecările dintre piesele în mişcare). Aceşti factori conduc la forma caracteristicii de turaţie la m.a.s. Variaţia momentului motor comportă două zone: zona în care momentul motor creşte odată cu turaţia şi apoi, de la momentul maxim, zona în care momentul motor scade odată cu turaţia. Aceasta reprezintă zona de funcţionarea stabilă a motorului, deoarece la creşterea momentului rezistent apare o scădere a turaţiei, legată de creşterea momentului motor. Raportul dintre momentul maxim şi momentul punctului de putere maximă se numeşte coeficient de adaptabilitate, iar raportul dintre turaţia de putere şi cea de moment coeficient de turaţie. Ideal ar fi ca momentul să fie relativ constant pe un domeniu mare de turaţii, iar raportul dintre cele două turaţii mare (gama de turaţii utilizabile largă). La m.a.c. caracteristica de turaţie la sarcina totală se obţine în faza de tarare (încercarea a motorului pentru determinarea performanţelor sale) prin limitarea turaţiei maxime la valoarea n max care devine şi turaţia de putere, pentru a evita solicitările mecanice şi termice inadmisibile. Momentul motor are o variaţie mult mai lină decât la m.a.s deoarece excesele de aer sunt mari şi nu influenţează atât de mult arderea. În figură au fost prezentate curbele pentru caracteristica brută, preluată de pe motor şi varianta corectată, cu coeficienţi care depind de condiţiile atmosferice din momentul realizării încercărilor.pentru a realiza o caracteristică mai favorabilă se poate introduce un dispozitiv corector pentru creşterea debitului de combustibil la turaţii mai reduse. Caracteristica de turaţii la sarcini parţiale Aceste caracteristici se obţin în condiţiile în care obturatorul sau cremaliera se blochează în o anumită poziţie intermediară constantă. Prin sarcină parţială la un motor se defineşte procentul reprezentat de puterea la turaţia de putere la sarcina actuală şi puterea totală la care se reglează motorul. Astfel, dacă un motor are la sarcina plină 1 kw la 3 rpm, pentru o sarcină parţială de 7% se va stabili poziţia cremalierei pentru care, la 3 rpm puterea dezvoltată de motor este de 7 kw. Odată fixată poziţia elementului de reglaj, se va încărca frâna pentru a micşora turaţia şi a realiza caracteristica de turaţie corespunzătoare sarcinii parţiale de 7%. O altă caracteristică este cea de mers în gol, la care se determină numai consumul de combustibil. 8

9 Caracteristica de regulator În cazul motoarelor cu regulator de turaţie abaterile turaţiei faţă de valoarea de la un regim de funcţionare stabilă sunt preluate de către acest regulator care acţionează sistemul de alimentare al motorului pentru ca acesta să funcţioneze la o turaţie stabilă. Pentru un motor cu aprindere comprimare este necesară aigurarea următoarelor cerinţe funcţionale: stabilitatea la regimul de mers în gol, limitarea turaţiei maxime şi stabilitatea funcţionării în sarcină. La mersul în gol mărirea turaţiei deterrmină o creştere a presiunii medii indicate ca urmare a arderii unei cantităţi mai mari de combustibil. Dar odată cu aceasta cresc şi pierderile mecanice, mai lent decât presiunea indicată, şi motorul tinde să se tureze; la scăderea turaţiei procesul se desfăşoară în sens invers şi motorul are tendinţa de oprire. 9

10 La turaţii ridicate arderea se înrăutăţeşte şi forţele de inerţie sunt mari ceea ce afectează durabilitatea motorului. Din această cauză este necesară limitarea turaţiei maxime, rol care revine unui tip de regulator numit regulatorul de două regimuri. Acest regulator păstrează turaţia relativ constantă pentru zona de mers încet în gol (ralanti) şi limitează debitul de combustibil pentru a nu se depăşi o anumită turaţie. La motoarele de tractor sau generatoarele de curent electric este necesar ca turaţia să rămână constantă, indiferent de sarcina la care funcţionează motorul. Aceste regulatoare se încadrează în categoria regulatoarelor de toate regimurile. Figură 6 Regulatorul şi caracteristica de regulator Regulatorul are în componenţă contragreutăţile (1) articulate cu suportul (2), care este antrenat de axul cu came al pompei de injecţie. Extremităţile contragreutăţilor sunt în contact cu manşonul (3) fixat pe tija (4) prin sistemul de pârghii (5),(6) şi acţionează elementul de reglaj al debitului de combustibil (7). Pe tija (4) sun montate arcul (12) şi manşonul glisant (8) care poate fi acţionat de către sistemul de pârghii (9) şi (1) puse în legătură cu pedala (11) acţionate de conducător. Funcţionarea regulatorului poate fi descrisă astfel: operatorul motorului alege un anumit regim funcţional (turaţia motorului sau viteza tractorului) prin apăsarea pedalei 11 care acţionează sistemul de pârghii 1 şi 9 deplasând manşonul 8 care va comprimă arcul 12. Comprimarea arcului 12 trebuie echilibrată de o creştere a forţei inerţionale a contragreutăţilor prin mărirea vitezei lor de rotaţie (creşterea turaţiei). O reducere a turaţiei se obţine prin eliberarea pedalei 11. La o modificare a turaţiei datorită condiţiilor de lucru (creşterea sau scăderea momentului rezistent) are loc o revenire la situaţia comandată de operator, deoarece forţa de tensiune din arc trebuie să fie egală cu forţa de inerţie. Această operaţie se face prin modificarea debitului de combustibil livrat de pompa de injecţie. 1

11 În cazul motoarelor echipate cu regulator de turaţie abaterile turaţiei faţă de valoarea de la un regim trebuie păstrate în un anumit interval. Pentru motoarele care echipează grupuri generatoare, condiţiile impuse regulatoarelor sunt mult mai stricte decât pentru cele impuse tractoarelor. O caracteristică prezentată în figură permite definirea unui criteriu de definire a performanţelor unui regulator cu ajutorul relaţiei: δ = n n în care n r este turaţia de acţiune a regulatorului iar n g este turaţia de mers în gol la aceiaşi poziţie a regulatorului. g n r r Caracteristici complexe Caracteristicile complexe se se construiesc pe baza unor caracteristici ridicate anterior şi reprezintă o imagine completă a domeniului de funcţionare a motorului. În principiu, acesată caracteristică are în abscisă turaţia motorului, în ordonată presiunea medie efecivă, iar în câmpul diagramei se prezintă curbe de izoconsum specific. Dacă dorim să vedem situaţia unui punct de funcţionare al motorului se alege turaţia corespunzătoare, din puterea dorită a motorului se determină presiunea medie efectivă şi din aceste două mărimi se citeşte consumul specific efectiv. Cu acest consum se poate determina consumul orar al motorului sau consumul la 1 km. Este utilizată mai ales pentru a putea vedea compatibilitatea dintre motor şi utilizator Caracteristica de pierderi Caracteristica de pierderi reprezintă variaţia puterii pierdute P m sau a presiunii medii indicate corespunzătoare în funcţie de turaţie. Această putere pierdută se datorează frecărilor dintre diversele piese în mişcare şi a antrenării sistemelor anexe ale motorului (sistem de ungere, răcire, distribuţie, etc). Această caracteristică se poate obţine prin antrenarea motorului cu ajutorul unei frâne reversibile la diverse turaţii şi se determină momentul rezistent opus de 11

12 acesta. În acest scop, pentru m.a.s. se deschide complet obturatorul şi se întrerupe aprinderea, iar la m.a.s se opreşte alimentarea. O altă variantă este cea prin care se suspendă cilindrii în timpul funcţionării motorului. Metoda constă în scoaterea din circuit a unui cilindru în timpul funcţionării motorului, turaţia acestuia scade şi din frână se reduce momentul rezistent pentru a reface turaţia. Diferenţa de putere dintre cele două măsurători este de fapt puterea indicată a cilindrului respectiv. Din însumarea acestor valori rezultă puterea indicată a motorului şi diferenţa dintre aceasta şi puterea efectivă obţinută la frână va fi puterea cedată pierderilor mecanice. 12