Motorul cu aprindere prin scânteie - Calcul termic

1. Introducere

Dezvoltarea motoarelor cu ardere internă este marcată de concentrarea periodică a soluţiilor tehnice ceea ce are adesea ca rezultat concepete noi. Un asemenea proces apare în domeniul formării amestecului carburant unde injecţia directă, aplicată cu succes la motoarele diesel, oferă un potenţial remarcabil pentru dezvoltareaulterioară a motoarelor cu aprindere prin scânteie.

Acest proces este accelerat de schimbarea punctului de vedere privind dezvoltarea motoarelor cu ardere internă, de la unităţi zgomotoase de putere mare la sisteme de propulsie mai puţin poluante şi mai raţionale.

Din această perspectivă este necesar să se îmbine două extreme:

- minimizarea schimbului dintre motor şi mediu sub forma consumului de combustibil la intrare şi a poluării chimice şi fonice la ieşire;

- transformarea energiei termice în lucru mecanic trebuie maximalizată;

Transformarea căldurii în lucru mecanic şi efectul acesteia supra emisiilor este determinat în special de procesul de ardere, care este în general rezultatul unui mecanism de formare a amestecului aer-combustibil.

De-a lungul unui întreg secol dezvoltarea motoarelor cu aprindere prin scânteie a fost dominată de formarea în exterior a amestecului combustibil într-un carburator. Acesta a fost înlocuit cu injecţia de combustibil la presiune joasă în sistemul de admisie, până la sisteme controlate electronic.

Formarea în amestecului în interiorul motorului utilizând injecţia directă de benzină a fost aplicată pentru prima dată de către Robert Bosch, pentru motoare de avion, în anul 1937. Următoarele sisteme au fost dezvoltate de GUTBROD pentru motoare în doi timpi în 1952 şi pentru motoare în patru timpi care echipau MERCEDES 300SL în 1956. La aceste motoare criteriul cel mai important ân ceea ce priveşte dezvoltarea era puterea efectivă şi nu consumul sau nivelul emisiilor poluante.

Totuşi, formarea amestecului în exteriorul motorului (înainte de evacuarea gazelor arse în ciclul anterior), prin utilizarea unui carburator sau a unei injecţii de combustibil în sistemul de admisie, are două avantaje importante:

- durata mai mare pentru realizarea amestecului carburant;

- condiţiile de fluido-dinamice sunt mai bine controlate;

Durata mai mare disponibilă pentru formarea amestecului se bazează pe faptul că este practic independent de procesele care se desfăşoară în cilindrul motorului. Injecţia de combustibil în sistemul de admisie (sub forma unui proces continuu sau a unuia secvenţial) permite o durată mai mare a formării amestecului înainte de aprindere şi o traiectorie mai lungă a jetului, care este avantajoasă în ceea ce priveşte atomizarea şi vaporizarea înainte de pătrunderea în cilindru.

Condiţiile bune fluido-dinamice pentru formarea amestecului înainte de evacuarea gazelor arse se datotează în principal propagării undelor de aer în interiorul conductelor din sistemul de admisie, caracterizată prin viteză şi direcţie bine definite cu efect benefic asupra atomizării şi modului de distribuţie a picăturilor de combustibil.

În plus, aerul din conductele de admisie este o fază omogenă a unui singur component la presiune joasă, fără variaţii semnificative şi fără contact cu zone în care sunt gaze arse.

Toate aceste condiţii în care se realizează formarea amestecului în exteriorul motorului contribuie la simplificarea cerinţelor privind sistemul. De exemplu, o presiune de injecţie de 0,4-0,5 MPa este suficientă pentru bună atomizare şi distribuţie a aerului dacă se utilizează un sistem de injecţie cu conductă comună.

Pe de altă parte, formarea în exterior a amestecului prezintă dezavantaje în ceea ce priveşte principiul care este determinat în consumul de combustibil şi emisiile poluante. Unul din aceste dezavantaje este scăparea fluidului proaspăt în galeria de evacuare ca urmare a suprapunerii deschiderii supapelor. Acest dezavantaj este amplificat în cazul motoarelor în doi timpi, la care scăpările sunt cu 30% mai mari.

Un alt dezavantaj rezultă ca efect al omogenităşii fluidului proaspăt introdus în cilindru. Un amestec apropiat de cel stoichiometric este benefic pentru o degajare de căldură avantajoasă. Pentru a asigura aprinderea amestecului aer-benzină la sarcini parţiale omogenitatea amestecului preformat impune reducerea proporţională a ambilor componenţi (aer şi combustibil) pentru a se păstra amestecul stoichiometric.De aceea, unica posibilitate de reducere a sarcinii este o gâtuire a fluidului proaspăt la admisie, ceea ce are ca efect reducerea randamentului termic şi, astfel, o creştere a consumului specific de combustibil.

De asemenea, în timpul formării amestecului în sistemul de admisie nu poate fi evitat contactul direct cu pereţii conductelor. În consecinţă, în interiorul conductelor de admisie apar concentraţii locale de combustibil din cauza undelor de aer sau a contactului parţial dintre jet şi pereţi sau dintre jet şi supape.

În interiorul camerei de ardere impactul dintre picăturile de combustibil şi pereţi, cauzat de condiţiile de curgere din timpul procesului de admisie, provoacă o ardere incompltă ca urmare a lipsei locale de oxigen sau a unei cinetici chimice necorespunzătoare ca urmare a temperaturii reduse a pereţilor.