1

Investete n oameni ! Proiect cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013. Axa prioritar 2: Corelarea nvrii pe tot parcursul vieii cu piaa muncii. Domeniul major de intervenie : 2.2: "Tranziia de la coal la o via activ" Titlul proiectului: Construiete-i inteligent din timp cariera profesional Contract nr. POSDRU/90/2/2.1/S/62399

IIINNNDDDRRRUUUMMMAAARRR DDDEEE PPPRRRAAACCCTTTIIICCCAAA

MOTOARE CU ARDERE INTERNA IN 2 TIMPI

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI

Facultatea de Inginerie Mecanica si Mecatronica

2

MOTOARE CU CU ARDER INTERNA IN 2 TIMPI

1. Notiuni intoductive

Ciclul motorului se desfasoara pe durata a doua curse ale pistonului, care se realizeaza in

decursul unei rotatii a arborelui cotit.

Functionarea motorului in doi timpi se poate urmari in fig. 1. Schimbarea gazelor se

realizeaza fortat, gazele arse sunt evacuate din cilindru prin dislocare de catre curentul de

incarcatura proaspata, proces denumit baleiaj. Schimbarea gazelor se efectueaza prin ferestre,

sau lumini, prevazute in cilindru la extremitatea dinspre PME si controlate de catre piston:

lumini de admisie, sau de baleiaj, LB, prin care patrunde incarcatura proaspata si lumini de

evacuare, LE, prin care gazele arse ies din cilindru. Pentru a se realiza baleiajul, incarcatura

proaspata este comprimata la presiunea ps, mai mare decat presiunea atmosferica, po, (ps~0,13

MPa).

Fig. 1 Ciclul de functionare al motorului in 2 timpi

3

Pentru procesele de admisie si de evacuare nu mai sunt disponibile curse intregi ale

pistonului. Aceste procese se realizeaza pe fractiuni ale curselor pistonului, la sfarsitul cursei

de destindere si la inceputul cursei de compresie. In cursa de destindere pistonul se deplaseaza

de la PMI la PME si deschid luminile de evacuare, DLE, cu avans fata de PME. Gazele arse

avand presiunea mai mare decat presiunea din colectorul de evacuare incep sa iasa din

cilindru incepe procesul de evacuare. Presiunea gazelor din cilindru scade si, teoretic, cand

presiunea devine egala cu presiunea incarcaturii proaspete din colectorul de admisie, ps,

pistonul deschide si luminile de baleiaj (de admisie), DLB. Curentul de incarcatura proaspata

patrunde in cilindru si impinge (matura) gazele arse spre luminile de evacuare. Acest proces,

denumit baleiaj, continua si dupa ce pistonul ajunge la PME si incepe cursa de comprimare

deplasandu-se spre PMI.

In primul timp, cursa de comprimare, se inchid mai intai luminile de baleiaj, ILB si apoi

luminile de evacuare, ILE. Pistonul continua deplasarea spre PMI, efectuand procesul de

comprimare. Cu avans fata de PMI, in s, fig.1, are loc declansarea scanteii electrice pentru

aprinderea amestecului aer-combustibil - in cazul MAS, sau are loc injectia combustibilului - in

cazul MAC si, in d incepe procesul de ardere. Datorita degajarii de caldura in evolutia cu ardere,

d-c', presiunea creste mai mult decat intr-o evolutie de comprimare fara ardere, d-c, fig.1.

Al doilea timp, sau cursa de destindere, reprezinta deplasarea pistonului de la PMI la

PME. Continua procesul de ardere si ca urmare a degajarii unei cantitati mari de caldura,

presiunea continua sa creasca pana in punctul z, desi volumul creste. Dupa atingerea presiunii

maxime in z, datorita reducerii cantitatii de caldura degajata prin ardere si cresterii volumului

ocupat de gaze in cilindru, presiunea scade. Arderea se termina dupa atingerea varfului de

presiune, in t, fig.1. In timpul cursei de destindere fluidul motor produce lucru mecanic asupra

pistonului. La finele cursei de destindere pistonul deschide luminile de evacuare (ferestrele de

evacuare), DLE, si gazele arse din cilindru incep sa scape in exterior, presiunea scazand sub

valoarea presiunii din colectorul de admisie, pS. Sunt astfel reluate procesele de schimbare a

gazelor si desfasurarea ciclului continua cu celelalte evolutii ale fluidului motor.

Schimbarea gazelor La motorul in doi timpi procesele de schimb de gaze se realizeaza fortat si se desfasoara

pe fractiuni ale curselor pistonului (la inceputul cursei de comprimare si la sfarsitul cursei de

destindere). Incarcatura proaspata este comprimata la presiune joasa: ps 0,13 MPa. Deschiderea

4

si inchiderea luminilor de distributie se realizeaza de catre piston. Procesul de baleiaj, care consta

in evacuarea gazelor arse prin impingere de catre curentul de incarcatura proaspata, are loc

numai daca presiunea din cilindru este cel mult egala cu presiunea incarcaturii proaspete, ps.

Pentru realizarea acestei conditii se deschid mai intai luminile de evacuare. Are loc un

proces de evacuare libera si presiunea din cilindru scade rapid. Teoretic, in momentul cand

presiunea din cilindru este egala cu presiunea ps, se deschid luminile de baleiaj (fig.1). Prin

patrunderea curentului de incarcatura proaspata se realizeaza evacuarea fortata a gazelor arse din

cilindru (procesul de baleiaj).

La deplasarea pistonului de la PME la PMI in cursa de comprimare se inchid mai intai

luminile de baleiaj ILB si apoi luminile de evacuare ILE, fig.1 si fig 2,a. In intervalul ILB-ILE,

deoarece comunicarea cilindrului cu exteriorul nu se intrerupe, are loc o scapare a incarcaturii

proaspete in exterior (fenomenul de postevacuare), ceea ce inrautateste umplerea (cantitatea de

incarcatura proaspata retinuta in cilindru se reduce), iar la inceputul procesului de comprimare

(momentul ILE), presiunea din cilindru este mai redusa decat ps.

Incarcatura proaspata pierduta prin fenomenul de postevacuare, reprezinta si o pierdere

de lucru mecanic consumat pentru comprimarea incarcaturii proaspete, ceea ce diminueaza

puterea si economicitatea motorului (in cazul MAS cu formarea amestecului aer-combustibil in

exteriorul cilindrului se pierde si combustibil in evacuare). Postevacuarea se produce in situatia

cand motorul are faze de distributie simetrice, DLE = ILE si DLB = ILB, fig.2,a.

a) b) Fig.2 Diadrama fazelor de distributie la motorul in doi timpi: a) faze de distributie simetrice; b)- faze de distributie asimetrice.

5

Pentru inlaturarea acestui fenomen, se adopta faze de distributie asimetrice (unghiurile de

avans la deschiderea luminilor de evacuare si de baleiaj au valori diferite de unghiurile de

intarziere la inchiderea luminilor respective) cu respectarea conditiei ILE ILB, fig.2,b. Procesul de baleiaj se poate urmari prin intermediul variatiei presiunii din cilindrul

motorului in functie de volum, sau de unghiul manivelei, fig. 3,a,b. Se disting trei faze ale

procesului de baleiaj. Prima faza incepe din momentul DLE si se incheie in punctul d cand

presiunea atinge valoarea minima, (fig. 3). In prima etapa a acestei faze curgerea gazelor arse din

cilindru in evacuare corespunde regimului supracritic, ceea ce determina o accelerare importanta

a masei de gaze. In etapa urmatoare, de regula putin inainte de DLB cand presiunea scade la ~

0,2 MPa, regimul de curgere devine subcritic.

Experimental s-a constatat ca eficienta procesului de baleiaj este maxima daca in

momentul DLB presiunea, pdb se afla intr-un anumit raport fata de ps, Rb=pdb/ps, denumit raport

initial de baleiaj; valoarea optima a acestuia este supraunitara, Rb,opt >1. Daca Rb > Rb,opt in

timpul cand are loc scaparea gazelor arse in colectorul de baleiaj, datorita diferentei mari de

presiune viteza gazelor este ridicata si se intensifica amestecarea cu incarcatura proaspata. Pentru

Rb < Rb,opt, datorita cresterii rapide a diferentei de presiune dintre colectorul de baleiaj si cilindru

incarcatura proaspata patrunde cu viteza ridicata ceea ce intensifica turbulenta, produce

amestecarea cu gazele arse si amplifica scaparile in evacuare favorizand tendinta de traversare a

cilindrului.

Fig.3 Fazele procesului de schimb de gaze la motorul in doi timpi:

a)-diagrama p-; b)-diagrama p-V

6

Se constata scaderea presiunii si dupa DLB, deoarece volumul este in crestere si in

aceasta faza luminile de baleiaj ofera sectiuni de curgere reduse, iar cantitatea de incarcatura

proaspata care patrunde in cilindru este insuficienta pentru a realiza cresterea presiunii, intrucat

este mai mica decat de cantitatea de gaze arse care iese din cilindru prin luminile de evacuare

acestea avand sectiuni de curgere mai mari.

Faza a doua incepe in apropiere de PME, in d cand presiunea este minima si dureaza

pana in momentul ILB. Sunt distincte doua perioade: d-PME cand presiunea creste ca urmare a

patrunderii incarcaturii proaspete in cantitate mare si PME-ILB, perioada in care presiunea

oscileaza in jurul unei valori medii, presiunea de baleiaj pb, indicand stabilizarea acestui proces

(pbILB are loc postevacuarea, iar pentru distributia asimetrica se elimina postevacuarea daca ILE = ILB si se asigura o postumplere sau chiar o usoara supraalimentare daca ILE < ILB) si oscilatiile de presiune din colectorul de evacuare.

Fig.4 Definirea volumului cursei utile

7

Fractiunea din cursa pistonului pe care se efectueaza procesul de schimbare a gazelor este

denumita cursa de baleiaj (din PME pana la intreruperea comunicatiei cilindrului cu exteriorul,

momentul ILE, fig.4).

In acest interval amestecul initial (incarcatura proaspata amestecata cu gazele arse

reziduale in cilindru) nu este comprimat. Procesul de comprimare se efectueaza numai pe o

fractiune din cursa pistonului, denumita cursa utila Su (volumul corespunzator cursei utile este

VSU).

Din acest motiv la motorul in doi timpi se defineste raportul de comprimare util, u, care exprima reducerea volumului gazelor din cilindru in procesul de comprimare efectiva:

Raportul de comprimare geometric definit ca si in cazul motoarelor in patru timpi de relatia:

nu are semnificatie fizica, intrucat o parte insemnata din cursa de comprimare este consumata

pentru procesul de baleiaj (de observat ca si la motoarele in patru timpi, inchiderea supapei de

admisie fiind dupa PME schimbul de gaze continua si la inceputul cursei de comprimare, dar in

acest interval are loc o postumplere si durata este mult mai redusa decat la motorul in doi timpi).

Gradul de utilizare a cursei pistonului se apreciaza prin coeficientul cursei utile:

Optimizarea fazelor de distributie la motorul in doi timpi prezinta un grad de

complexitate mai ridicat decat la motorul in patru timpi datorita interconditionarii mult mai

stranse dintre fazele de distributie la acest tip de motor.

Momentul optim la deschiderea luminilor de evacuare este determinat de conditia de

realizare a raportului optim de baleiaj, Rb,opt.. Presiunea din cilindru in momentul deschiderii

VV + V =

c

cSUu

VV + V =

c

cS

0,7...0,85 = VV = c

S

SUu

8

luminilor de baleiaj, pdb, este inluentata de avansul relativ la deschiderea luminilor de evacuare,

= DLE - DLB. Momentul optim la deschiderea luminilor de baleiaj se stabileste din conditia de asigurare

a timpului necesar pentru curgerea incarcaturii proaspete in cilindru prin sectiunea oferita de

acestea. Pana la PME timpul disponibil pentru intrarea incacaturii proaspete in cilindru este t = DLB/(6.n), intre inaltimea luminilor de baleia si avansul la deschiderea luminilor de baleiaj, DLB, fiind o relatie directa. Latimea ferestrelor este limitata de circumferinta cilindrului, ceea ce face ca pentru o turatie data sa se stabileasca un compromis intre inaltimea luminilor de

baleiaj si coeficientul cursei utile, cu. Optimizarea momentului de deschidere a luminilor de

baleiaj se face avand in vedere ca incarcatura proaspata patrunde in cilindru si dupa PME,

inchiderea luminilor de baleiaj avand loc cu intarziere, ILB. In cazul fazelor de distributie simetrice deoarece DLB=ILB, fazele de distributie DLB si ILB se optimizeaza simultan, iar inchiderea luminilor de evacuare, ILE, nu se poate optimiza intrucat ILE=DLE. In cazul fazelor de distributie asimetrice se are in vedere evitarea scaparii incarcaturii proaspete in

evacuare. O influenta importanta o are intarzierea relativa la inchiderea luminilor de evacuare,

= ILE - ILB. La distributia simetrica > 0 se produce scaparea incarcaturii proaspete in evacuare, proces denumit postevacuare. In cazul fazelor de distributie asimetrice pot fi situatiile:

= 0 caz in care se evita postevacuarea; < 0 cand intrarea incarcaturii proaspete in cilindru continua si dupa inchiderea luminilor de evacuare in proces de postumlere.

Tipuri de baleiaj Procesul de baleiaj este influentat in mare masura de modul de deplasare a curentilor de

incarcatura proaspata in cilindru care, trebuie sa evite formarea unor pungi de gaze arse

nedislocate in cilindru, amestecarea turbulenta cu gazele arse si scaparea incarcaturii proaspete

prin luminile de evacuare (traversarea cilindrului).

Principalele tipuri de baleiaj se pot clasifica dupa traiectoria curentului principal de

incarcatura proaspata in cilindru:

I) - baleiaj in bucla (contracurent), cand luminile de distributie sunt dispuse la o singura

extremitate a cilindrului:

I,a) - baleiaj in bucla deschisa (luminile de baleiaj sunt plasate de o parte, iar

cele de evacuare de cealalta parte a cilindrului, fig.5,a) . Pentru dirijarea

curentului de incarcatura proaspata spre chiulasa capul pistonului este profilat sub

9

forma unui deflector si luminile de baleiaj si canalele aferente sunt adecvat

orientate impiedicand traversarea cilindrului si scaparea incarcaturii proaspete

direct in evacuare. Experimental s-a constatat ca eficienta baleiajului creste cand

incarcatura proaspata patrunde in cilindru sub forma unui fascicul de jeturi care

pot fi concentrate intr-un singur punct sau tangente la o circumferinta.

I,b) - baleiaj in bucla inchisa (luminile de baleiaj si cele de evacuare sunt plasate

de aceeasi parte a cilindrului fig.5,b. Curentul de incarcatura proaspata este

orientat spre capul pistonului, care prin forma sa concava il dirijaza pe partea

opusa a cilindrului spre chiulasa dislocand gazele arse si se intoarce pe aceeasi

parte cu luminile de baleiaj unde sunt plasate luminile de evacuare. Aceasta

solutie constructiva previne scaparea incarcaturii proaspete in evacuare prin

traversarea cilindrului.

Aceste solutii de baleiaj in bucla realizeaza faze de distributie simetrice.

Pentru a obtine faze de distributie asimetrice sunt utilizate urmatoarele solutiile

constructive: cu doua randuri de lumini de baleiaj, randul superior fiind prevazut

cu supape automate, fig.5,c, care realizeaza faze de distributie asimetrice la

baleiaj, sau cu sertare rotitoare dispuse la canalele de evacuare, fig.5,d - baleiaj in

bucla deschisa, fig.5,e baleiaj in bucla inchisa, care realizeaza faze de distributie

asimetrice la evacuare.

Traiectoria complicata a curentului de incarcatura proaspata si gradul

relativ ridicat de amestecare cu gazele arse prin difuzie turbulenta reduc eficienta

procesului de baleiaj la solutiile cu baleiaj in bucla. Pentru imbunatatirea

performantelor, la motoarele fortate prin cresterea turatiei si prin supraalimentare,

solutiile cu baleiaj in bucla a fost inlocuite cu baleiaj in echicurent.

II) - baleiaj in echicurent, cand incarcatura proaspata patrunde pe la o extremitate a

cilindrului si se deplaseaza intr-o singura directie pe axa cilindrului, iar gazele arse sunt

evacuate pe la cealalta extremitate a cilindrului:

II,a) - baleiaj mixt prin lumini si supape (solutie care complica constructia

motorului, fiind necesar un sistem de actionare a supapei), fig.5,f . Gazele

arse sunt evacuate prin supapele din chiulasa, iar incarcatura proaspata

patrunde prin luminile de baleiaj, prevazute pe toata circumferinta cilindrului,

sub forma mai multor fascicule tangente la o circumferinta concentrica cu

10

cilindrul. Prin aceasta dispunere se reduce incarcarea termica a pistonului.

Gazele arse sunt dislocate treptat prin deplasarea incarcaturii proaspete intr-

un singur sens pe directia axei cilindrului cu un grad redus de amestecare

turbulenta cu gazele arse realizand un baleiaj eficient, gradul de curatire a

cilindrului fiind comparabil cu cel de la motorul in patru timpi. Se utilizeaza

faze de distributie asimetrice la evacuare.

Fig.5 - Scheme de baleiaj: a)-baleiaj in bucla deschisa, cu faze de distributie simetrice; b)-baleiaj in bucla inchisa, cu faze de distributie simetrice; c)- baleiaj in bucla deschisa, cu doua randuri de lumini de baleiaj si faze de distributie asimetrice la baleiaj; d)- baleiaj in bucla deschisa, cu sertar rotitor la evacuare si faze de distributie asimetrice la evacuare; e)- baleiaj in bucla inchisa cu sertar rotitor la evacuare si faze de distributie asimetrice la evacuare; f)- baleiaj in echicurent prin lumini si supape; g)- baleiaj in echicurent prin lumini in cilindru cu pistoane opuse; h)- baleiaj in echicurent prin lumini in cilindri paraleli.

II,b) - baleiaj prin lumini in cilindru cu pistoane opuse fig.5,g. In acelasi

cilindru se deplaseaza in sensuri opuse doua pistoane fiecare controland cate

un rand de lumini, de evacuare, respectiv de baleiaj, prevazute la extremitatile

cilindrului. Incarcatura proaspata patrunde pe la o extremitate a cilindrului,

11

iar gazele arse sunt evacuate pe la cealalta extremitate. Pistonul care

controleaza luminile de evacuare este mai solicitat decat celalalt. Prin

decalarea mecanismelor celor doua pistoane cu 56 0RAC, se realizeaza

faze de distributie asimetrice. Eficienta procesului de baleiaj este ridicata,

curatirea cilindrului de gaze arse fiind chiar mai buna decat la motorul in

patru timpi.

II,c) - baleiaj prin lumini in cilindri paraleli - fig.5,h, o solutie aplicata la

motoare usoare de transport. Luminile de baleiaj sunt dispuse la extermitatea

de la PME a unui cilindru iar cele de evacuare la extermitatea de la PME a

celuilalt cilindru, fiecare fiind controlate de pistoanele cilindrilor respectivi.

Mecanismele biela-manivela pot fi independente, sau se utilizeaza un

mecanism cu o biela de forma speciala, in furca. Prin decalajul celor doua

mecanisme se realizeaza faze de distributie asimetrice. In fiecare cilindru

deplasarea gazelor se face intr-un singur sens, dar la trecerea dintr-un cilindru

in celalalt se produc pierderi gazodinamice reducand eficienta baleiajului. Un

alt dezavantaj al acestei solutii este forma improprie a camerei de ardere.

Comprimarea incarcaturii proaspete poate fi realizata fie de catre pistonul motorului, fie

de o suflanta rotativa. O solutie simpla aplicata la motoarele cu cilindree mica este comprimarea

incarcaturii proaspete in carter (carterul este etans si de tipul uscat); solutia a fost utilizata la

motoarele 2S9, S18 - TIMPURI NOI, motoarele autoturismelor Trabant, Wartburg si motoretei

Mobra -fig.6,a. Dezavantajul principal al acestei solutii este ineficienta baleiajului. Teoretic, in

conditiile de stare (p0,T0), volumul incarcaturii prospete admis in carter este egal cu cilindreea

motorului, dar in realitate este mai redus din cauza pierderilor termogazodinamice, coeficientul

normal de baleiaj fiind subunitar, cbo < 1.

Suflantele cu rotoare profilate cu lobi (de tip Roots, fig.6,b- cu doi lobi, sau ccu trei lobi-

EATON) se caracterizeaza prin simplitate constructiva, durabilitate mare si dimensiuni de

gabarit reduse. Acestea se utilizeaza la motoare de transport de putere mica si medie. Suflantele

centrifugale avand turatii ridicate (de circa patru ori mai mari decat suflantele cu rotoare

profilate) realizeaza constructii mai compacte si debite mari si sunt folosite la motoare de putere

mare.

12

Fig.6 Sisteme pentru comprimarea incarcaturii proaspete: a)- comprimarea in carter; b) si c)- comprimarea cu suflante cu rotoare profilate de tip Roots.

In fig.7 se prezinta schema de functionare a motorului in 2 timpi cu baleiaj in bucla

deschisa si comprimarea incarcaturii proaspete in carter.

Fig.7- Schema de functionare a motorului in 2 timpi : timpul 1,a,b - pistonul se deplaseaza de la PME la PMI si dupa inchiderea luminilor are loc procesul de comprimare si cu avans fata de PMI incepe procesul de ardere; timpul 2,b,c - pistonul se deplaseaza de la PMI la PME continua procesul de ardere, are loc procesul de destindere si dupa deschiderea luminilor de evacuare si de baleiaj are loc procesul de baleiaj.

13

Criterii de apreciere a perfectiunii procesului de baleiaj Coeficientul de umplere. Coeficientul de umplere este definit in raport cu parametri de

stare ai incarcaturii proaspete (ps,Ts). Teoretic, volumul disponibil pentru incarcatura proaspata

la finele procesului de baleiaj este VSU. Este rational sa se exprime coeficientul de umplere in

raport cu volumul cursei utile:

unde V0 este volumul ocupat de cantitatea reala de incarcatura proaspata, masurat in conditiile de

stare de referinta, (ps, Ts).

Conventional, coeficientul de umplere se poate exprima si prin raportarea la cilindreea

VS. Se obtine:

Coeficientul de umplere raportat la volumul cursei utile are valori apropiate de

coeficientul de umplere la motorul in patru timpi. Coeficientul de umplere raportat la cilindreea

totala, V este mult mai mic la motorul in doi timpi fata de motorul in patru timpi datorita valorilor reduse ale coeficientului cursei utile.

Coeficientul de baleiaj. In procesul de baleiaj o parte din cantitatea de incarcatura

proaspata care patrunde in cilindru scapa prin luminile de evacuare antrenand gaze arse.

Cantitatea de incarcatura proaspata comprimata fiind mai mare decat cea retinuta in cilindru la

sfarsitul procesului de schimb de gaze se consuma lucru mecanic suplimentar. Rezulta o conditie

de optimizare intre cantitatea de gaze arse reziduale care scade cu cresterea cantitatii de

incarcatura proaspata care traverseaza cilindrul imbunatatind eficienta baleiajului si lucrul

mecanic consumat suplimentar pentru comprimarea unei cantitati mai mari de incarcatura

proaspata.

Se defineste coeficientul de baleiaj prin raportul dintre volumul incarcaturii proaspete

care este comprimata si patrunde in cilindrii motorului pe durata unui ciclu si cilindreea

motorului, (iVs).

In functie de conditile de stare la care se exprima volumul incarcaturii proaspete se

disting urmatoarele situatii:

VV =

SU

0Vu

VuuS

0V .c = V

V =

14

- daca volumul incarcaturii proaspete se exprima la conditiile de stare ale mediului

ambiant, (po,To), se obtine coeficientul normal de baleiaj,

cbo=Vip,o/(iVs)

- daca volumul incarcaturii proaspete se exprima la conditiile de stare dupa

comprimare, (ps,Ts), se obtine coeficientul de baleiaj,

cbs=Vip,s/(iVs)

Eficienta baleiajului este mai buna cand pentru un grad de golire a cilindrului dat

coeficientul normal de baleiaj este mai mic, lucrul mecanic consumat pentru comprimarea

incarcaturii proaspete fiind proportional cu debitul.

Coeficientul de traversare a cilindrului. Volumul incarcaturii proaspete care este

comprimata si patrunde in cilindrii motorului pe durata unui ciclu, Vip,s, exprimat la conditiile de

stare dupa comprimare, (ps,Ts) este egal cu suma dintre volumul incarcaturii proaspete retinuta in

cilindru si volumul incarcaturii proaspete care traverseaza cilindrul, exprimate in aceleasi conditii

de stare, (ps,Ts):

Vip,s = i(Vo + Vtr) Se defineste coeficientul de traversare a cilindrului prin relatia:

s,p

trtr V

Vic

Acest coeficient apreciaza scaparile de incarcatura proaspata in evacuare datorita

imperfectiunii procesului de baleiaj.

Intre coeficientii care apreciaza perfectiunea procesului de baleiaj se poate stabili o relatie

de legatura. Pe baza relatiilor anterioare rezulta:

iV

)c1(V s,ptr0

bsu

tru,v cc

c1

15

relatii din care rezulta ca eficienta umplerii creste daca coeficientul de traversare este mai mic si

coeficientul de baleiaj creste.

Coeficientul de purificare. Pentru estimarea continutului de gaze arse reziduale in

cilindru din amestecul cu incarcatura proaspata la sfarsitul procesului de baleiaj este definit

coeficientul de purificare, cp

garp

pp mm

mc (0,70,9)

Pentru a compara puterea indicata a motorului in doi timpi Pi2 cu a unui motor in patru

timpi Pi4 (se considera acelasi numar de cilindri i, aceeasi turatie n si aceeasi cilindree Vs), se

are in vedere faptul ca in cazul motorului in doi timpi presiunea medie indicata raportata la

volumul cursei utile piu2 este aceeasi cu a motorului in patru timpi pi4 , ciclul desfasurandu-se in

conditii aproximativ identice ( 4iiu pp 2 ). Din expresia puterii motorului se obtine:

De unde, tinand seama de valoarea coeficientului cursei utile rezulta:

ceea ce arata ca puterea indicata a motorului in doi timpi este cu numai 4070 % mai mare

decat a unui motor in patru timpi.

Particularitati constructive In fig.8 se prezinta solutia constructiva a unui motor cu aprindere prin scanteie in 2 timpi

racit cu aer. Este utilizata schema de baleiaj in bucla inchisa si comprimarea incarcatutii

proaspete in carter.

Solutia constructiva cu comprimarea incarcaturii proaspete in carter impune o serie de

particularitati constructive:

230niVp

=P ; 430niVp

=PSUiu

iSi

i2

2

4

4

P).(1,4...1,7=P.c2.=P iiui 442

16

- carterul este etans si compartimentat intre cilindri; la capetele arborelui cotit

etansarea se realizeaza cu garnituri tip siemering, iar intre cilindri se prevad

labirinti

- carterul inferior fiind in legatura directa cu cilindru, nu mai poate constitui

rezervorul de ulei al sistemului de ungere

- pentru simplitatea solutiei, se renunta la ungerea sub presiune, lagarele cu

alunecare fiind inlocuite cu rulmenti

- ungerea se realizeaza prin adaugarea uleiului in combustibil sau prin pulverizarea

acestuia in admisie

Fig.8 MAS in 2 timpi racit cu aer: 1-bujie, 2-chiulasa, 3-cilindru, 4-lumini de baleiaj,

5-lumina de evacuare, 6-lumina de admisie in carter, 7-carter, 8-arbore cotit

- daca baleiajul se realizeaza prin lumini, chiulasa are o constructie simpla, fig15 si

fig.16

17

pentru a permite montarea bielei pe rulmenti pe fusul maneton, arborele cotit este

executat din componente asamblate prin fretare sau prin suruburi cilindrice pasuite

sau conice (capul bielei nu mai este sectionat), fig.9

Fig.9 Arbore cotit din componente asamblate montat cu rulmenti pe paliere, cu capul bielei nesectionat si asamblat pe maneton prin intermediul unui rulment cu

role

Fig.10 Montarea piciorului bielei pe rulmenti cu ace

Fig.11 Prelucrarea capetelor segmentului:

a)-prelucrarea locasului pe flanc ; b)-prelucrarea locasului la interior

18

- boltul este montat in biela prin intermediul unui rulment cu ace, fig.10

- in canalele portsegmenti ale pistoanelor se prevad orificii in care se introduc

stifturi intre capetele segmentilor. Se impiedica astfel rotirea segmentilor

prevenind agatarea capetelor acestora de ferestrele de distributie

- capetele segmentilor sunt prelucrate realizand un locas, fie la interiorul

segmentului, fie pe un flanc, fig.11

- de regula pistonul este mai inalt decat la motorul in 4 timpi, deoarece trebuie sa

comande deschiderea si inchiderea luminilor de distributie (luminile de evacuare,

luminile de baleiaj si uneori luminile de admisie in carter) fig.12, fig.13. In piston

pot fi prevazute orificii pentru transferul incarcaturii proaspete din carter in

cilindru, fig.13

- intrucat ungerea nu se mai realizeaza sub presiune nu este ulei in abundenta pe

oglinda cilindrului si ca urmare nu se mai prevad segmenti raclori; sunt prevazuti 2

sau 3 segmenti de compresie, fig.12, fig.14 - doi segmenti, fig.13- trei segmenti

- capul pistonului poate fi profilat pentru dirijarea miscarii fluidului motor in

cilindru, fig.12, fig.14 - bombat, fig.13- profilat cu deflector.

- la motoarele cu distributia prin lumini se utilizeaza blocul motor cu cilindri

nedemontabili (monobloc) la motoarele racite cu lichid, fig.16, sau cilindri

independenti la racirea cu aer, fig.15

Fig.12-Piston MAS in 2 timpi cu capul bombat

19

Fig.13-Pistoan MAS in 2 timpi cu capul profilat si cu ferestre pentru transferul incarcaturii proaspete in cilindru

Fig.14-Piston MAS in 2 timpi cu capul bombat si cu ferestre pentru transferul incarcaturii proaspete in cilindru

20

Fig.15 - MAS in 2 timpi racit cu aer; 17 kW/3900 rpm; 5,2 daNm/2800 rpm, 600 cm3; =7,6; 2 cilindri; 1-colector de evacuare; 2-carcasa aerului de racier; 3-filtru

de aer; 4-cilindru; 5-chiulasa; 6-bujie; 7-piston; 8-biela; 9-bolt; 10-amortizor de zgomot la admisie; 11-ventilator; 12-ruptor; 13-curea ventilator; 14-roata de curea; 15-

garnitura de etansare; 16-obturator; 17-carter inferior; 18-lagar palier; 19-carter superior; 20-arc pentru obturator; 21-maneton; 22-volant; 23-coroana dintata pentru

demaror.

21

Fig.16 - MAS in 2 timpi racit cu lichid; 900 cm3; 27 kW/4000 rpm; 8,3 daNm/2200;

=6,6; 1-curea trapezoidala; 2-roata de curea; 3-arborele ventilatorului; 4-chiulasa; 5-bujie; 6-ventilator; 7-bolt; 8-volant-9-ambreiaj; 10-coroana dintata a volantului; 11-fus palier; 12-maneton; 13-lagar palier; 14-roata de curea pe arborele cotit; 25-ruptor; 16-biela;

17-blocul cilindrilor; 18-piston

22

Motoare diesel in 2 timpi

Motorul JUNKERS, fig.17, aplica schema de baleiaj in echicurent in cilindru cu

pistoane opuse, fig.5-g. Sunt utilizati doi arbori cotiti care au miscarea sincronizata printr-un

sistem de angernaje. Camera de ardere este formata intre cele doua pistoane cand acestea se

apropie de PMI.

Fig.17 Motor diesel in 2 timpi cu pistoane opuse JUNKERS (Wikipedia -Free Software Foundation)

23

Motorul Yamaha, fig.18, cu 2 cilindri, cilindreea 1000 cm3, alezajul D=82 mm, cursa

S=93 mm, dezvolta puterea de 33 kW/4000 rpm, si momentul motor de 80 Nm/2500 rpm, este

utilizat pe autoturisme mici. Utilizeaza o camera de ardere cu o constructie speciala in

chiulasa care promoveaza o intensa miscare de rotatie (vartej).

Fig.18- Motor diesel Yamaha in 2 timpi pentru autoturism

24

Fig.19 - Motor diesel in 2 timpi

In fig.19 este prezentat un motor diesel in 2 timpi cu baleiaj in echicurent, mixt prin

lumini si supape (lumini de baleiaj si supape de evacuare-schema din fig.5-f). Motorul are 4

cilindri, racire cu lichid si injectie directa.

In fig.20 este prezentat motorul diesel AVL in 2 timpi pentru autoturisme, cu

cilindreea de 1000 cm3, trei cilindri in linie, racire cu lichid, injectie directa si cu baleiaj in

echicurent mixt (lumini de baleiaj si supape de evacuare).

.

25

Fig.20 - Motor diesel AVL in 2 timpi pentru autoturism

Evolutia si perspective de dezvoltare a motorului in 2 timpi

Odata cu apartia crizei combustibilului petrolier din 1970, aproape toti specialistii din

domeniu erau unanim de acord ca motorul cu ardere interna in 2 timpi este definitiv

condamnat. Normele de protectie a mediului ambiant tot mai severe privind concentratiile

substantelor poluante din gazele de evacuare, precum si nivelul de zgomot, necesitatea de

reducere continua a consumului de combustibil, dificultati de exploatare impuse de desele

interventii la bujii si de adaugarea uleiului in benzina, ca si lipsa franei de motor sunt

argumente care au determinat multi fabricanti sa renunte la motorul in 2 timpi.

Si astfel, inca din 1969, de pe unele piete, cum este cea americana, au disparut modele

de autoturisme cu motoare in 2 timpi produse de Subaru si Saab. In Japonia firma Daihatsu a

incetat din 1980 sa mai produca autoturisme echipate cu motoare in 2 timpi, iar din 1987

26

firma Suzuki, cel mai mare producator japonez de miniautomobile si al trilea constructor de

motociclete, a oprit fabricatia de motoare in 2 timpi. De asemenea, producatoeul europea de

autoturisme Wartburg a renuntat la traditionalul sau model in 2 timpi.

Astfel, utilizarea motorului in 2 timpi pentru autoturisme este restransa, fiind utilizat

cu precadere ca sursa de putere pentru utilajele agricole mici, motocositoare, motofierastraie,

generatoare de curent de putere mica, motopompe, sau motoare diesel cu puteri foarte mari in

tractiunea feroviara si navala datorita performantelor raportate la unitatea de cilindree mai

bune decat ale motorului in 4 timpi (puterea litrica, masa specifica si gabaritul). La aceste

avantaje se adauga si constructia mai simpla, numarul mai mic de repere si tehnologia mai

putin pretentioasa, care fac motorul mai ieftin cu investitii mai reduse, mai usor adaptabil la

productia de masa si deci mai usor vandabil.

Problemele motorului in 2 timpi si-au gasit rezolvarea datorita progreselor realizate in

domeniul echipamentelor de injectie a benzinei (injectie directa) si ale instalatiilor de

lubrificare. Aplicarea noilor tehnologii permit diminuarea sau chiar eliminarea dezavantajelor

motorului in 2 timpi fata de motorul in 4 timpi, cum ar fi: pierderea de combustibil in

evacuare, consumul specific de combustibil mai mare, concentratii de emisii poluante in

gazele de evacuare mai ridicate.

Incepand cu anul 1990 au existat preocupari ale unor importante firme constructoare

de autovehicule pentru dezvoltarea unei noi generatii de motoare in 2 timpi (General Motors,

Ford si Chreysler in SUA, Toyota, Mazda, Honda, Yamaha si Suzuki in Japonia, Ford, Fiat,

Jaguar, Peugeot, Renault si Volvo in Europa etc.).

Interesul pentru noua generatie de motor cu aprindere prin scanteie in 2 timpi a fost

revitalizat de motorul Orbital , fig.21, al inventatorului australian Ralph Sarich de la firma

Orbital Engine company din Australia de Vest, pentru care firmele General Motors, Ford si

Chreysler au manifestat interes si s-au angajat in intense lucrari de testare a acestui tip de

motor. In prezent motorul este produs in Indonezia si echipeaza autoturismele Maleo si

Texmako.

Motorul Orbital pastreaza structura clasica a motorului in 2 timpi, dar utilizeaza pentru

alimentarea cu combustibil injectia pneumatica (combustibilul este antrenat de catre un curent

de aer comprimat, ceea ce asigura foarte bune calitati de pulverizarea si amestecare cu aerul

din cilindru), injectorul fiind comandat electromagnetic. Injectia are loc dupa inchiderea

luminilor de baleiaj si de evacuare, astfel incat se elimina posibilitatea scaparii de combustibil

27

cu incarcatura proaspata in evacuare. Datorita calitatii foarte buna a amestecului aer-

combustibil, procesul de ardere este imbunatatit, ceea ce asigura economicitate ridicata si

poluare redusa. Pe de alta parte, datorita montarii echipajului mobil pe rulmenti si lipsa

segmentilor de ungere se reduc pierderile mecanice prin frecare. Pentru reducerea

concentratiilor de emisii poluante din gazele de evacuare, se utilizeaza un reactor catalitic.

Fig.21 - Motorul Orbital: 1,2 , 3 cilindri, racire cu lichid, 67 kW/5500 rpm, pe=0,68 MPa/4100 rpm; a)-sectiune transversala: 1- arbore cotit, 2-canal de admisie, 3-cilindru care face corp comun cu chiulasa, 4-dispozitiv pentru injectia pneumatica, 5-injector electromagnetic, 6-bujie, 7-lumini de evacuare, 8-galeria de evacuare, 9-rector catalitic; b)-detaliu camera de ardere

. O solutie interesanta este motorul realizat de firma japoneza Subaru, fig.22. Motorul

are 4 cilindri dispusi in V si cilindreea de 1,6 . Alimentarea cu combustibil este prin injectie de benzina direct in cilindru la presiunea de 0,7 MPa, dupa efectuarea procesului de schimb

de gaze. Pentru evitarea scaparii de incarcatura proaspata in evacuare se utilizeaza un

distribuitor rotativ la evacuare, realizand faze de distributie asimetrice la evacuare.

Comprimarea incarcaturii proaspete este realizata cu un compresor cu rotoare profilate

Sprintex. Luminile de evacuare fiind inchise inaintea celor de baleiaj de catre distribuitorul

rotativ, se realizeaza supraalimentarea la presiunea de baleiaj. Motorul realizeaza o putere de

127 kW la 6000 rpm, ceea ce inseamna o putere litrica ridicata, de 79 kW/

28

Fig.21c- Motorul Orbital vedere de ansamblu

29

Fig.22- Motorul in 2 timpi Subaru

Motoare in 2 timpi cu supape Firmele Toyota din Japonia si Ricardo din Anglia au realizat motoare in 2 timpi la care

schimbarea gazelor se realizeaza prin supape.

In 1989 Toyota a prezentat la Expozitia si Salonul automobilului din Tokyo motorul

S2 cu 6 cilindri, cu cilindreea de 3 , in 2 timpi, fig.23. Motorul are o constructie asemanatoare cu un motor in 4 timpi, fiind de fapt obtinut pe structura unui motor de acest tip.

Actionarea supapelor este realizata de arbori cu came care au turatia arborelui cotit. Duratele

de deschidere ale supapelor fiind reduse la jumatate fata de motorul in 4 timpi, pentru

30

limitarea acceleratiilor s-a limitat turatia maxima a motorului la 4000 rpm. Sunt utilizate 4

supape, doua de admisie si doua de evacuare. Motorul dezvolta puterea de 180 kW la 2500

rpm si momentul de 500 Nm la 1800 rpm. Balejajul este realizat cu un compresor tip Roots cu

rotoare cu doi lobi. Sistemul de ungere este cu carter umed.

Fig.23- Motorul Toyota S2 in 2 timpi

O alta realizare de motor in 2 timpi cu baleiaj prin supape este realizat de Ricardo, ca

monocilindru pentru dezvoltarea acestei solutii constructive, fig.24. Pentru dirijarea curentului

de incarcatura proaspata in vederea realizarii balejajului, canalul de admisie din chiulasa este

aproape vertical. Comprimarea incarcaturii proaspete este realizata cu un compresor rotativ,

iar alimentarea cu combustibil este prin injectie directa in cilindru. Motorul a realizat

performantele: puterea litrica de 66-74 kW/ la 5000 rpm, presiunea medie efectiva 1,2 MPa la 2500 rpm.

31

Fig.24- Motorul in 2 timpi Ricardo

Istoric

In 1858 inginerul belgian Jean Joseph tienne Lenoir a inventat si a brevetat (1860), un

motor cu ardere interna cu dubla actiune alimentat cu gaz de carbune si cu aprindere cu

scanteie electrica. Motorul functiona dupa ciclul in doi timpi si dezvolta 1,5 CP la 100

rot/min. Era format dintr-un cilindru orizontal cu orificii de admisie si de evacuare.

32

Motorul lui Lenoir, desi avea un randament scazut, ~5%, s-a raspandit rapid, cateva

zeci de exemplare cu puteri de 0,5- 4 CP, functionau in zona Paris. Este considerat primul

motor cu ardere interna.

Motorul si ciclul Lenoir

In 1863, Lenoir aduce o imbunatatire motorului utilizand un carburator (primitiv)

pentru combustibil lichid

Motorul lui Lenoir a fost perfectionat de catre specialistii germani Eugen Langen and

Nikolaus August Otto si a realizat un randament de ~12%, fiind premiat la Expozitia

Universala de la Paris in 1867.

In 1945 inginerul Radu Mardarescu a realizat la uzina I.A.R. Brasov un

miniautomobil denumit MR 1945 cu un motor in 2 timpi, racit cu aer, 11,5 CP la 4000

rpm, 70 km/h.

In 1947 la uzinele IAR din Brasov ing. Radu Mardarescu a construit prototipul unui

autoturism dupa solutii originale. Motorul denumit IAR 002 de conceptie proprie era in 2

timpi cu 4 cilindri jumelati in linie, 1,18 litri, 45 CP la 4300 rpm cu presiunea de admisie 1,5

at si 102 CP la 5300 rpm cu presiunea de admisie 2,4 at. Pentru comprimarea incarcaturii

proaspete este utilizat un compresor cu rotoare de tip Roots. Shema da baleiaj utilizata este

in echicurent prinlumini in cilindri paraleli (fig.5-h).

33

BIBLIOGRAFIE

1- D. Abaitancei, Bobescu Gh. Motoare pentru automobile, Bucuresti, Editura Didactica si Pedagogica, 1975

2- Grunwald B., - Teoria, calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule rutiere, EDP, Bucureti, 1980.

3 - Negurescu N., Pan C., Popa M.G, - .Motoare cu apriundere prin scanteie. Procese. Editura MATRIX ROM BUCURESTI, 2009

4 - Popa M.G., Negurescu N., Pan C., - .Motoare diesel. Procese. Editura MATRIX ROM BUCURESTI, 2003