I.4 Reglarea proceselor de schimb de gaze din motor

1.52 I.4 Reglarea proceselor de schimb de gaze din motor Problematica proceselor de schimb de gaze din motoarele cu ardere internă este deosebit de complexă, îmbrăcând aspecte variate și atingând detalii foarte pretențioase. Această multitudine cuprinde direcții de studiu privind gazodinamica și transferul de căldură și de masă în regim staționar și tranzitoriu, construcția și optimizarea sistemului de distribuție, chestiuni legate de poluare și de zgomot, etc. Din acest motiv, datorită varietății tematicii conexe domeniului schimbului de gaze, ne vom limita pe parcursul acestui capitol, în principal, la necesitatea înlocuirii sistemelor de distribuție cu faze fixe cu sistemele care permit modificarea fazelor de distribuție în funcție de regimul funcțional al motorului.

1.1.83 1.4.1. Necesitatea utilizării sistemelor de distribuție variabilă Teoria prezentată în cadrul disciplinei de procese și caracteristici ale motoarelor cu ardere internă, este cât se poate de clară și de amănunțită cu privire la necesitatea optimizării parametrilor umplerii cilindrului motor cu încărcătură proaspătă; de aceste performanțe ale umplerii depind implicit performanțele de moment și de putere ale motorului. Discutând de motoarele cu admisie normală, apreciem calitatea umplerii cilindrului, după anumiți parametri, dintre care: coeficientul de umplere (ηv), presiunea din cilindru la sfârșitul admisiei (pa), coeficientul gazelor arse reziduale (γr), ș.a.

Luând ca mărime principală de referință pentru perfecțiunea umplerii coeficientul de umplere ηv, este descrisă variația acestuia în funcție de parametrii care definesc regimul funcțional al motorului (în condiții staționare), turația și sarcina. Pentru ambele tipuri de motoare, MAS și diesel, este prezentată această variație în funcție de fiecare parametru funcțional, când celălalt este menținut la valoare constantă [15]. Variația coeficientului de umplere cu sarcina, la turație constantă are o tendință descrescătoare (în situația reală, față de cea teoretică), datorită creșterii regimului termic, ceea ce conduce la o acumulare masică mai redusă de încărcătură proaspătă în cilindru la sfârșitul cursei de admisie (vezi fig. 1.4.1 și 1.4.2). În raport cu turația, la sarcină constantă, coeficientul de umplere prezintă o variație similară, acesta fiind maxim la turația la care fazele de distribuție sunt optime (valorile de avans și de întârziere față de punctele moarte apropiate, la deschiderea, respectiv închiderea supapelor, asigură o valoare minimă a pierderilor de lucru mecanic prin pompaj, măsurate pe diagrama de pompaj).

Figura 2.16 Figura 1.4.1 Variația coeficientului de umplere cu turația și cu sarcina la MAS și la motoarele

diesel

Din nefericire, la motoarele cu faze de distribuție fixe (pentru care punctele de pe ciclu corespunzătoare momentelor de deschidere a supapelor sunt tot timpul aceleași, indiferent de regimul funcțional), acestea sunt departe de cele optime la turațiile la care motoarele sunt uzual solicitate, ideală fiind posibilitatea de modificare a acestor faze de distribuție în felul în care pentru orice turație de lucru atinsă, coeficientul de umplere să atingă valoarea sa maximă (corespunzătoare regimului de sarcină).

197

Reglarea proceselor termice din MAI

Figura 2.17 Figura 1.4.2 Variația coeficientului de umplere maxim cu turația și cu sarcina

Din punct de vedere cinematic și dinamic, mecanismul care asigură distribuția cu faze fixe, este mecanismul clasic cu camă și culbutor (vezi fig. 1.4.3 în varianta constructivă a montării axului cu came în bloc). Un astfel de mecanism acționează prin câte o camă o singură supapă, sau dacă sunt prevăzute mai mult de două supape pe cilindru, el poate acționa simultan supapele de același tip. în fig. 1.4.4 (a și b) sunt reprezentate două variante de așezare a supapelor în capul cilindrului, și implicit de dispunere a galeriilor (variante care sunt supuse discuției cu privire la optimizarea proceselor de curgere și a transferului de căldură).

Figura 2.18 Figura 1.4.3 Mecanismul de distribuție cu camă și culbutor 1 - ax cu came; 2 - camă; 3 - tachet; 4 - tijă împingătoare 5 - șurub de reglare a jocului supapei; 6 - arc

culbutor; 7 - ax culbutori; 8 - culbutor; 9 - taler mobil; 10-arc supapă; 11 - supapă; 12 - taler fix (ghid); 13 - canal chiulasă 14 - scaun

Figura 2.19 Figura 1.4.4 Dispuneri diferite ale galeriilor și supapelor, împreună cu soluția constructivă de

antrenare a lor

198

I.4 Reglarea proceselor de schimb de gaze din motor

Figura 2.20 Figura 1.4.5 Epura fazelor de distribuție

Mecanismul cu camă și culbutor, în configurație clasică, descrisă în Fig. 1.4.3, asigură deschiderea și închiderea supapelor după legi reprezentate în Fig. 1.4.5. Atât înălțimea de ridicare cât și secțiunea talerului supapei de admisie au valori mai ridicate, deoarece în vreme ce evacuarea gazelor arse se face la o diferență pozitivă de presiune (interior-exterior), cât și forțat prin forța de împingere a pistonului, procesul de admisie este liber, datorat doar depresiunii (interior-exterior), iar pentru ca umplerea cilindrului cu încărcătură proaspătă să fie cât mai bună, secțiunea de curgere prin dreptul supapei de admisie trebuie să fie mai mare, iar pierderile gazodinamice de presiune să fie cât mai reduse. În ceea ce privește reglarea presiunii de admisie la motoarele turbo-supraalimentate, aceasta se face automat în funcție de valoarea presiunii și a debitului de gaze arse din amontele turbinei, parametrii controlați prin intermediul unității centrale de comandă la valorile dictate de mărimea regimului funcțional. Pe traseul de curgere a gazelor arse este montată o supapă- sertar, a cărei secțiune este controlată de către ECU, eliminându-se în exterior surplusul debitului de gaze arse care furnizează energia mecanică a turbinei, atunci când se dorește limitarea presiunii din admisie. La sarcină maximă, ea permite destinderea unui debit maxim de gaze prin turbină, existând un senzor de temperatură care declanșează închiderea sertarului la depășirea unei temperaturi limită în funcționarea agregatului (vezi fig. I.4.6) [16]. Figura 2.21 Figura 1.4.6 Controlul electronic al presiunii din admisie pentru motoarele turbo-supraalimentate

199

Reglarea proceselor termice din MAI

1.1.84 1.4.2 Tipuri constructive de sisteme de distribuție cu faze variabile Posibilitățile avute la dispoziție pentru modificarea legii de ridicare/coborâre a supapei se referă fie la modificarea momentelor pe ciclu de început sau sfârșit de cursă, fie la modificarea alurii curbei de deplasare a supapei în funcție de unghiul de rotație, fie la amândouă în același timp. Modificarea exclusivă a fazelor de distribuție se realizează prin defazarea mișcării de rotație a axului cu came față de mișcarea principală de rotație a arborelui cotit. Aceasta înseamnă că tachetul va ataca profilul camei, ridicându-se de pe cercul primitiv al acesteia în alt moment pe ciclu. Modificarea aiurii legii de deplasare a supapei se efectuează doar prin modificarea profilului camei, sau prin parcurgerea incompletă de către tachet a profilului inițial. Acest obiectiv poate fi realizat prin introducerea de sisteme mecanice, hidraulice sau electromagnetice. Există de asemenea variante mixte, aplicate cu bune rezultate în producția de serie (variante electro-hidraulice sau electro-mecanice).

1.1.84.1 I.4.2.1 Sisteme mecanice

Până în prezent, există o mulțime de propuneri legate de construcția dispozitivelor care să asigure prin acțiuni mecanice modificarea fazelor, sau a legii de deschidere a supapelor. Cerințele legate de performanțele acestor sisteme privesc reducerea dimensiunilor, consumul redus de energie și o viteză de răspuns cât mai rapidă. În timp, nevoia unui control riguros a procesului de schimb de gaze, în funcție de parametrii regimului funcțional, conduce la înlocuirea sistemelor mecanice cu cele de concepție modernă, și care sunt cele cu acțiune hidraulică, electromagnetică, sau mixtă. Prezentăm totuși două soluții de sisteme mecanice care răspund măcar parțial obiectivelor propuse, în Fig. 1.4.7 este înfățișată o camă al cărei profil este compus din profilele mai multor came armonice (profilul cel mai răspândit de camă), și care printr-un sistem elastic sunt articulate formând un profil continuu variabil în funcție de mărimea forțelor centrifuge care solicită la întindere arcurile de legătură. Tachetul va fi o piesă cu suprafață suficient de mare de contact, pentru asigurarea stabilității în funcționarea sistemului de distribuție atunci când se face trecerea de la un profil la altul (exemplul prezentat este compus din două semi-profile). Desigur că piesa de legătură, arcul (sau arcurile) trebuie foarte bine dimensionate pentru asigurarea întinderii și revenirii pieselor în poziție inițială ca urmare a variației turației de lucru.

Figura 2.22 Figura 1.4.7 Camă cu profil variabil

Figura 2.23 Figura 1.4.8 Camă cu profil realizat din două semi-profile articulate longitudinal variabil și cu tachet culisant

în Fig. 1.4.8 este reprezentată o camă cu profil longitudinal variabil care oferă posibilitatea unui tachet culisant pe direcție longitudinală să evolueze într-o secțiune a profilului camei care asigură un optim al legii de deplasare a supapei la regimul de lucru considerat.

1.1.84.2 I.4.2.2 Sisteme hidraulice

Sistemele hidraulice de modificare a distribuției asigură o bună funcționalitate, fiabilitate, zgomot redus și reducerea pierderilor de pompaj ale motorului. Uleiul, ca agent hidraulic răspunde bine

200

I.4 Reglarea proceselor de schimb de gaze din motor

solicitărilor mecanice, iar încărcarea sa trebuie corelată cu intervalul de temperaturi la care acesta își conservă proprietățile fizice și de exploatare (viscozitate, lubrificație, incompresibilitate, etc.). Schema teoretică de funcționare a unui sistem hidraulic de modificare a fazelor de distribuție este cea din Fig. 1.4.9. Uleiul este interpus tijei tachetului și supapei, iar aceasta din urmă nu va putea fi acționată decât atunci când presiunea uleiului va depăși o anumită valoare prestabilită. Astfel, parametrul care variază odată cu modificarea regimului funcțional este presiunea uleiului, care crește către valoarea la care forța de presiune învinge rezistența arcului supapei numai când pistonul din cilindrul de comandă obturează complet orificiul de descărcare din cilindrul de comandă. Astfel, chiar dacă se parcurge tot profilul camei, supapa nu va începe cursa sa de deschidere decât atunci când presiunea uleiului din cilindrul de comandă atinge o valoare prestabilită (ps). Deci diferența (p-ps) este o funcție de parametrii turație și sarcină a motorului.

Figura 2.24 Figura 1.4.9 Schema generală a unui sistem hidraulic de modificare a fazelor de distribuție.

Legendă: 1 - camă; 2 - tachet; 3 - piston de comandă; 4 - cilindru de comandă; 5- rezervor de ulei; 6- pompă de ulei; 7 - conductă de legătură; 8 - cilindru actuator; 9- piston comandat; 10 - supapă; 11 - arc supapă; O1 -

orificiu de descărcare; O2 - orificiu de alimentare

în Fig. 1.4.10 se prezintă o soluție eficientă care aplică principiul modificării fazelor pe cale hidraulică [17]. în acest caz, pistonul de comandă are prelucrat un canal elicoidal, având aproximativ aceeași funcție și același tip de reglaj ca și pistonul plonjor al pompei de injecție cu elemente în linie. Mărimea cursei pistonului de comandă (m) variază în funcție de unghiul de rotire în jurul axei sale a tijei pistonului. O cursă definită prin m=0 semnifică o lege nemodificată în raport cu cea inițială, ca pentru sisteme cu faze fixe.

Figura 2.25 Legendă: 1 - cilindru de comandă; 2 - piston de comandă (profilat); 3 - arcul pistonului de

comandă; 4 - disc; 5 - tachet; 6 - camă; 7 - cilindru actuator; 8 - piston actuator; 9 - supapă de alimentare; 10 - supapă motor; 11 - orificiu de descărcare; 12 - pompă alimentare ulei; 13 - rezervor ulei; 14 - arcul

supapei motorului Figura 2.26 Figura 1.4.10 Sistem hidraulic de distribuție cu piston de comandă profilat

201

Reglarea proceselor termice din MAI

Cu cât valoarea parametrului „m” crește, cu atât înălțimea de ridicare și timpul de ridicare a supapei sunt mai reduse (vezi Fig.I.4.11). Poziția indexată a unghiului de rotire în jurul axei a tijei pistonului de comandă se poate face automat în funcție de parametrii regimului funcțional.

Figura 2.27 Figura 1.4.11 Legea de deplasare a supapei în funcție de parametrul-cursă „m" Motor cu aprindere prin scânteie cu distribuție variabilă: S/D = 81/76 mm/mm n = 1500 rpm

1.1.84.3 I.4.2.3 Sisteme electromagnetice

Sistemele electromagnetice de modificare a fazelor de distribuție ar putea funcționa într-o variantă ideală dacă forța electromagnetică generată de un solenoid parcurs de curent electric ar acționa direct fie asupra tijei tachetului, fie direct asupra tijei supapei. Forțele care ar trebui să producă deplasarea supapei în acest caz sunt foarte mari, capabile să învingă rezistența elastică a arcului de supapă. Acest obiectiv se realizează cu un consum de energie mare, și care micșorează eficiența de lucru a instalației de distribuție. În figura 1.4.12 este înfățișată schema teoretică de funcționare a unui astfel de sistem, cu acționare fie asupra tachetului, fie asupra supapei. Dacă se dorește funcționarea sistemului de distribuție după fazele inițiale, prin înfășurarea de excitație realizată de solenoid nu circulă curent, iar sistemul se comportă ca un sistem mecanic clasic de distribuție. Prin alimentarea cu curent a înfășurării se comandă supapa indiferent de poziția tachetului în contactul său cu cama, iar valoarea curentului de comandă, și deci mărimea forței electromagnetice depinde direct de mărimile regimului funcțional al motorului.

Figura 2.28 Figura 1.4.12 Instalație electromagnetică de comandă a distribuției

1.1.84.4 I.4.2.4 Sisteme mixte

Desigur că ceea ce este mai folositor din punct de vedere al creșterii eficienței în funcționare a unui sistem de distribuție cu lege variabilă de ridicare a supapelor poate fi combinat într-o aceeași configurație. Dacă parametrul care comandă direct modificarea fazelor de distribuție sau/și a legii de deplasare a supapei este de natură mecanică sau hidraulică, iar setarea acestui parametru se face electric, prin comandă dirijată de către ECU, sistemele de distribuție vor fi electro-mecanice sau electro-hidraulice. Un astfel de ultim model de sistem este cel utilizat de motoarele BMW la modelele de serie încă din anii 1990. Sistemul VANOS [18] este reprezentat în Fig. 1.4.13 și este valabil pentru motoarele care utilizează două axe cu came, montate în chiulasă. Una din axe

202

I.5 Reglarea proceselor din instalația de aprindere la MAS acționează supapele de admisie, cealaltă acționează supapele de evacuare (2x2 supape/cilindru). Principiul de funcționare este următorul: Axa cu came pentru supapele de evacuare este acționată prin intermediul unei roți de lanț prin transmisie pe lanț de către arborele cotit al motorului. Un al doilea set de roți de lanț cuplează mișcarea axei cu came pentru supapele de evacuare de cealaltă axă cu came, pentru supapele de admisie; numai că roata de lanț montată pe axa cu came pentru supapele de admisie nu este direct solidară cu axa respectivă, ci ea are prevăzută și o dantură cilindrică interioară, care angrenează cu o piesă de legătură sub formă de cupă, aceasta fiind cea care transmite axei cu came mișcarea de rotație primită.

Figura 2.29 Figura 1.4.13 Sistemul electro-hidraulic VAN OS introdus și utilizat de motoarele BMW la

motoarele de serie Legendă: 1 - axa cu came pentru supapele de evacuare (SE); 2 - lanțul de legătură dintre axa cu camele SE și

arborele cotit; 3 - lanțul de legătură dintre axa cu camele SE și axa cu came pentru supapele de admisie (SA); 4 - axa cu came pentru supapele de admisie (SA); 5 - roata de lanț de legătură între cele două axe cu

came; 6 - roata-cupă de legătură acționată de forța de presiune a uleiului.

Când această piesă de legătură nu angrenează, axa cu came pentru supapele de admisie primește mișcarea de rotație direct de la arborele motor, ca și în cazul sistemului cu faze de distribuție fixe. La modificarea turației, când legea de deplasare a supapei trebuie modificată, ea este deplasată sub acțiunea forței de presiune a uleiului și angrenează cu roata de lanț care primește mișcarea de rotație de la axa cu came pentru supapele de evacuare, astfel încât cele două mișcări de rotație ale axelor cu came pot fi corelate în intervalul unghiular dorit. Când se dorește revenirea la modul de operare inițial, piesa este scoasă din angrenare de către forța de presiune a uleiului. Presiune de lucru a uleiului este controlată electronic de către unitatea centrală de comandă a motorului (ECU), ca o funcție de parametrii regimului funcțional al motorului. Sistemul este unul eficient, cu reducerea zgomotului și a vibrațiilor, și cu comandă hidraulică rapidă; nu consumă și se remarcă prin fiabilitatea sa.

1.53 I.5 Reglarea proceselor din instalația de aprindere la MAS Controlul proceselor care au loc în instalația de aprindere comandată a motoarelor cu aprindere prin scânteie are o mare importanță asupra performanțelor de putere ale motoarelor, asupra economicității acestora cât și asupra nivelului emisiilor poluante produse de acestea. Posibilitatea efectuării reglajelor asupra momentului aprinderii, duratei scânteii și energiei de descărcare oferă premisele controlului arderii, a degajării de căldură și în final a performanțelor directe ale motorului. Desigur că, sistemele inițiale de aprindere, prea puțin reglabile cu regimul funcțional al motorului, și totuși fiabile în raport cu durata de exploatare a motorului, au cedat locul sistemelor modeme, convenționale și neconvenționale, care oferă posibilitatea automatizării complete a aprinderii.

203

Reglarea proceselor termice din MAI

1.1.85 I.5.1 Instalația de aprindere clasică Principiul de funcționare a unui sistem de aprindere se bazează pe transformarea tensiunii joase de 12 V c.c., disponibilă de la baterie, într-o tensiune foarte înaltă (de ordinul kV) necesară străpungerii spațiului dintre electrozii bujiei. Transformarea se realizează cu ajutorul bobinei de inducție, care funcționează pe principiul unui transformator de tensiune. întreruperea curentului în circuitul primar al acesteia determină prin variația fluxului magnetic apariția tensiunii induse în circuitul secundar și implicit producerea scânteii electrice. Momentul întreruperii curentului din circuitul primar al bobinei este momentul care determină producerea scânteii electrice. În Fig. 1.5.1 este prezentată schema de principiu a unui sistem clasic de aprindere inductivă [19]. Circuitul primar (de joasă tensiune) este format din baterie (BA), ruptor (R) precum și de înfășurarea primară a bobinei. Circuitul secundar (de înaltă tensiune) este compus din înfășurarea secundară a bobinei, distribuitor (D) și bujii (BU). Ruptorul, la instalațiile de aprindere vechi, realizează întreruperea curentului pe cale mecanică, pe când la instalațiile modeme, este sub forma unui etaj electronic, înglobat în controlerul sistemului de aprindere. În fiecare dintre cazuri, el este comandat pe baza semnalelor de turație și de sarcină.

Legendă:

Figura 2.30 Figura 1.5.1 Schema de principiu a unui sistem clasic de aprindere BA = Baterie R = Ruptor BO = Bobină D = Distribuitor BU = Bujii

în Fig. 1.5.2 sunt trasate variațiile intensității curentului din circuitul primar și a tensiunii din circuitul secundar în funcție de timp. Săgeata din figură indică momentul de declanșare a scânteii electrice, ca urmare a deschiderii circuitului principal.

Figura 2.31 Figura 1.5.2 Variația în timp a mărimilor electrice tensiune și curent din circuitul instalației de

aprindere

204

I.5 Reglarea proceselor din instalația de aprindere la MAS

în figura de mai sus, ∆τ1 [s] este perioada de alimentare a bobinei (ruptor închis), curentul evoluând după o curbă specifică unui circuit RLC. Perioada ∆τ2 [S] este cea de descărcare a bobinei (ruptor deschis), în care aceasta transferă energia pe care a primit-o inițial de la baterie, bujiilor. Acestor două perioade li se poate asocia duratele unghiulare prin intermediul relației:

∆α [grd.RAC] = 6n [rot/min] ∆τ[s] (1.5.1) unde „n” este turația motorului. Raportul dintre durata unghiulară inițială, notată cu indicele „1” și cea cumulată, se notează cu %Dw și se numește unghi, sau procentaj Dwell:

(1.5.2) Unghiul Dwell caracterizează timpul de încărcare a bobinei. în cadrul unui ciclu de funcționare, uzual, unghiul Dwell ia valori între 60 și 63 %. Limitarea sa se realizează din considerente de durabilitate a sistemului de aprindere. Valoarea maximă a energiei pe care o acumulează bobina are valoarea:

(1.5.3) relație în care, L1 este inductanța circuitului primar, iar i1,max este valoarea maximă a curentului din înfășurarea primarului.

Exemplu: Pentru un MAS care funcționează la turația de 1000 rot/min, se calculează ∆α = 180 grd.RAC. Dacă se adoptă %Dw = 60 %, înseamnă că ∆α1 = 180 - 0,6 = 108 grd.RAC, iar perioada echivalentă ∆τ1 = 18 ms. La o turație de 5000 rpm, menținând constant unghiul Dwell, perioada unghiulară ∆α1 este aceeași, dar durata echivalentă în timp ∆τ1 scade la 3.6 ms. Cu scăderea timpului de încărcare a bobinei scade și energia disponibilă care poate fi transferată bujiilor, deci este afectată capacitatea de aprindere a amestecului proaspăt din cilindru, cu consecințe negative evidente asupra întregului proces de ardere. Deci la creșterea turației de funcționare a motorului, unghiul Dwell scade, motiv pentru care un obiectiv fundamental al controlului sistemelor actuale de aprindere este menținerea cvasiconstantă a energiei de aprindere. Acest lucru este posibil prin majorarea %Dw la creșterea turației.

1.1.86 I.5.2 Optimizarea funcționării instalației de aprindere clasice inductive În Fig. I.5.3 este înfățișată schema unui sistem de aprindere cu control al unghiului Dwell (sistem cu energie constantă) [19]. Unitatea de control înglobează două module destinate controlului avansului și respectiv procentajului Dwell. Pentru a controla momentul declanșării scânteii electrice sunt necesare a fi cunoscute valoarea avansului și referința unghiulară pe ciclul de funcționare. Valoarea avansului se stabilește pe baza informațiilor de turație și de sarcină cu ajutorul hărții de optimizare a avansului stocată la nivelul ECU. Referința unghiulară se obține cu ajutorul unui generator de impulsuri care primește un semnal (notat cu 1 în figură) de la un traductor inductiv de poziție montat la extremitatea arborelui cotit. Semnalul este prelucrat, și la ieșire se înregistrează un semnal dreptunghiular (notat cu 2). Fiecărui impuls îi corespunde o anumită poziție unghiulară în raport cu care controlerul de avans poate să-și stabilească momentul declanșării scânteii. Controlerul comandă un circuit de putere care realizează reglajul intensității curentului din circuitul primar al bobinei. Al doilea controler, cel cu acțiune asupra unghiului Dwell, asigură energia constantă a descărcării independent de regimul de turație. în circuitul primar este inserat un detector de curent, al cărui rol este aceia de a determina valoarea maximă a curentului. Dacă intensitatea curentului scade, controlerul Dwell va mări timpul de alimentare a bobinei. în

205

Reglarea proceselor termice din MAI

acest fel, atât curentul, cât și energia de descărcare se mențin la valoare constantă. Blocul etichetat „alți senzori” poate include: accelerometre, pentru înregistrarea nivelului de vibrații ale blocului motor (necesare în acest mod pentru avertizarea la funcționarea cu detonație), traductoare de presiune, traductoare de temperatură, etc.

Figura 2.32 Figura 1.5.3 Schema sistemului de control al aprinderii cu reglarea unghiului Dwell

1.1.87 I.5.3 Instalație de aprindere inductivă cu putere și energie de descărcare mărite Acest paragraf prezintă caracteristicile unei instalații de aprindere de tip inductiv la care creșterea energiei de descărcare a fost obținută prin mărirea duratei de descărcare [20] [21] (vezi Fig. 1.5.4).

206

I.5 Reglarea proceselor din instalația de aprindere la MAS

Figura 2.33 Figura 1.5.4 Instalație de aprindere inductivă cu putere și energie mărite

Schema instalației de aprindere modificate este concepută în jurul a două surse de energie, una principală, și cea de-a doua, cea auxiliară. Sursa principală este o sursă de energie convențională, care-și aduce aportul de energie în timpul fazei de străpungere, faza mediană de descărcare electrică, situată între fazele de arc și de pâlpâire în procesul de descărcare. Energia furnizată este rezultatul acumulării de energie în bobina de inducție, iar întreruperea curentului din circuitul primar se realizează printr-un ruptor electronic. Sursa de energie auxiliară furnizează surplusul de energie pe celelalte faze ale descărcării (cea de arc și cea de pâlpâire), prin contribuția unui convertor de tensiune care încarcă o baterie de condensatoare la o tensiune de aproximativ 1000 V în intervalul dintre două scântei consecutive. Deci, în timp ce descărcarea asigurată de sursa principală rămâne de tip inductiv (tipul clasic), descărcarea produsă de sursa auxiliară este de tip capacitiv. Scopul principal urmărit prin utilizarea acestui tip modificat de instalație îl reprezintă posibilitatea extinderii plajei de funcționalitate a motorului în zona amestecurilor sărace, prin diminuarea variabilității ciclice, prin creșterea eficienței în funcționare și prin scăderea nivelului de emisii poluante. În figura 1.5.5 sunt trasate curbele de variație a intensității medii a curentului electric de descărcare pentru cele două tipuri de instalații (clasică - C și modificată - M) [20] [21].

Figura 2.34 Figura 1.5.5. Comparație între variațiile intensităților curenților de descărcare electrică în cele

două tipuri de instalații: clasică și modificată

Rezultatele testării pe bancul motor a celor două tipuri de instalații de aprindere evidențiază următoarele:

207

Reglarea proceselor termice din MAI

• Instalația modificată generează o scânteie cu o durată de aproximativ 3.5 ori mai mare decât cea clasică.

• Intensitatea medie a curentului de descărcare este de 1,6 ori mai mare în cazul instalației clasice față de cel al utilizării instalației clasice.

• Pe întreg domeniul de turații, instalația modificată oferă o energie de descărcare amplificată. Factorul de amplificare variază în funcție de turație și de distanța dintre electrozii bujiei electrice de (în cazul menținerii constante a distanței la platină dp).

Rezultatele experimentale au scos în evidență câștigurile utilizării unei astfel de instalație, cu putere și energie de descărcare mărite, care constau în creșterea puterii efective, creșterea randamentului efectiv și diminuarea nivelului emisiilor poluante ale MAS pe domeniul de funcționare cu amestecuri sărace (λ = 1.0…1.2)

1.1.88 I.5.4 Utilizarea instalațiilor neconvenționale de aprindere Față de instalațiile de aprindere care realizează descărcarea electrică pe cale inductivă, există și alte tipuri de instalații, care aplică alte principii de comunicare a energiei necesare aprinderii amestecului carburant din cilindrul MAS. Așa cum s-a prezentat în paragraful anterior, instalația de aprindere era de tip mixt, sursa principală de energie realizând descărcarea de tip inductiv (de tip clasic), iar cea auxiliară o descărcare de tip capacitiv. Alte tipuri de dispozitive de aprindere utilizează electrozi generatori de plasmă, sau realizează aprinderea cu ajutorul unui jet de flacără, sau a unei jerbe de scântei. Scopul utilizării acestor dispozitive „neconvenționale” de aprindere este reușita cât mai sigură a aprinderii și asigurarea premiselor desfășurării unui proces de ardere cât mai eficient, în funcție de regimul funcțional al motorului.

1.1.88.1 I.5.4.1 Sisteme de aprindere cu jet de plasmă

La aceste sisteme descărcarea electrică se produce într-o cavitate care înconjoară electrozii bujiei [22]. Cavitatea comunică cu camera de ardere printr-un orificiu (vezi Fig. I.5.11). Energia de descărcare este majorată în comparație cu cea de la instalațiile clasice de aprindere, datorită prezenței unui condensator care este încărcat la o tensiune relativ joasă. Condensatorul eliberează energie imediat după ce scânteia a fost declanșată între electrozii bujiei. Energia mare de descărcare creează o plasmă cu presiune și temperatură ridicate, care va pătrunde în camera de ardere prin orificiul de legătură sub forma unui jet la viteze supersonice. Aprinderea are loc în jet, flacăra având un aspect turbulent, spre deosebire de instalația clasică, la care flacăra are inițial un caracter laminar. Penetrația jetului depinde de momentul producerii sale, de energia descărcării, de forma și de dimensiunile orificiului. De asemenea, cu cât cavitatea conține o cantitate mai mare de vapori de combustibil, aprinderea este mult ușurată datorită prezenței unui număr însemnat de atomi de hidrogen creați în plasmă și care au un grad mare de reactivitate. Prin utilizarea unui astfel de sistem, se realizează o extindere a limitei de sărăcire a amestecurilor combustibile utilizate în mod obișnuit, și se elimină aproape complet posibilitatea ratării aprinderii.

Figura 2.35 Figura 1.5.11 Sistem de aprindere cu jet de plasmă

208

1.1.88.2 I.5.4.2 Sisteme de aprindere cu jet de flacără

Caracteristica acestor sisteme este existența unei camere separate în care se inițiază aprinderea, legătura cu camera principală fiind asigurată prin unul sau mai multe ajutaje [22] (vezi fig. I.5.12). Pe măsură ce flacăra se dezvoltă în camera separată, presiunea în cavitate crește, forțând gazul să treacă în camera principală sub forma unui jet sau mai multor jeturi de flacără turbulente. Aprinderea propriu-zisă este asigurată de o bujie convențională. Rolul antecamerei este acela de a transforma flacăra care se formează în jurul electrozilor bujiei în mai multe flăcări, care pătrund în camera principală de ardere, și care având o suprafață mai mare sunt capabile să ardă amestecuri cu un exces mai mare de aer. Cea mai simplă variantă constructivă (cea schematizată în figură), este cunoscută sub denumirea de „torch cell”. Cavitatea nu posedă un sistem special de alimentare cu amestec combustibil, și nici o cale de evacuare a gazelor arse. Funcția ei este doar aceea de a accelera dezvoltarea inițială a flăcării într-o zonă în care turbulența este mai mare decât în camera de ardere. Funcționarea sistemului depinde în mare măsură de volumul antecamerei, de numărul și forma orificiilor (ajutajelor) de legătură, precum și de poziția bujiei. Dezavantajele soluției sunt legate de faptul că evacuarea gazelor arse din antecameră este deficitară, astfel încât fracția gazelor arse reziduale va fi mai mare în această configurație decât în cea care utilizează o instalație de aprindere standard.

Figura 2.36 Figura 1.5.12 Sistem de aprindere cu jet de flacără

209