Termogazodinamica motoarelor cu ardere internă

Cap.1 Studiu

Arderea amestecului stratificate

Măsurarea experimentale arată că încă sunt necesare paşi semnificative spre optimizarea motoarelor cu ar fi, de exemplu, optimizarea formării amestecului, astfel încât motorul fără obturator, cu amestec sărac, să poate funcţiona pe un domeniu cât mai extins de variaţia a sarcinii, precum si la scurt timp după pornirea la rece. De asemenea, funcţionarea la plină sarcină a motorului cu aprindere prin scânteie cu injecţie directă de benzină DISP(Direct injection spark ignition engine), oferă un potenţial semnificativ de optimizare.

Comparativ cu motor cu injecţie în colectorul de admisiune –MPI (Multi point injection engine), motorul care funcţionează cu amestecuri stratificate necesită injecţie directă de benzină în camera de ardere, în timpul cursei de comprimare. O cantitate potrivită de combustibil trebuie injectată în camera de ardere, într-un interval scurt de timp si, totodată, trebuie realizat un amestec optim aer/ combustibil care trebui transportat în preajma bujiei, la momentul potrivit, pentru a fi aprins, pentru un domeniul cât mai extins de sarcină ale motorului. Aceasta conduce la reducerea pierderilor cauzate de obturare si-n acelaşi timp la creşterea eficienţei arderii datorită utilizării amestecurilor sărace

Aşa numit sistem de ghidare cu peretele constă în interacţiunea jetului de combustibil cu pereţii camerei de ardere si cupei din capul pistonului. Mişcarea încărcăturii din cilindru facilitează formarea amestecului de combustibil depozitat pe suprafaţa cupei pistonului. Această soluţie păcătuieşte prin creşterea semnificativă a emisiei de HC. De aceea s-a dezvoltat o altă soluţie a cărei particularitate constă în aceea că se evită, pe cât posibil, contactul jetului de combustibil cu pereţi Acest lucru se poate realiza printr-o mişcare intensă si controlată a încărcăturii din cilindru prin vârtejulde rostogolire (tumble motion), aşa numit sistem de ghidare cu aerul.

Un alt avantaj important al motorului cu aprindere prin scânteie cu injecţie directă, DISI, constă în prin varierea avansului la scânteie si la injecţie.

În domeniul sarcinilor parţiale motorului funcţionează cu amestec stratificat si complet neobturat. Clapeta din conducta de admisiune de control al vârtejului este închisă. Injecţia directă a benzinei se produc la sfârşitul cursei de comprimare astfel încât să se asigure norul de amestec inflamabil în preajma bujiei La sarcini parţiale mai mari, motorul funcţionează cu amestecuri sărace omogene, ceea ce permite realizarea unor economii suplimentar de combustibil fără a se forma funingine în exces. Clapeta de vârtej din admisiune este deschisă, iar injecţia directă a benzine se produc în cursa de admisiune, pentru a asigura timp suficient omogenizări amestecului.

Este evident că întregul ciclu de testare este acoperit de modul de funcţionare a amestecuri stratificate. Rezultă o reducere de consum de circa 20% faţă de motorul în înaltă tehnologie MPI.

Funcţionarea complet neobturată conduce la scădere temperaturii gazelor de evacuare până la un nivel care la face netratabile prin sistemului de post-tratare catalitică Mai mult, recircularea gazelor de evacuare (EGR) necesită un anumit nivel de vacuum. De aceea este necesar să se realizeze o obturare parţială chiar si în modul de funcţionare stratificat. Cu toate că există un anumit efect poziţia al EGR asupra randamentului termic al motorului DISI, o anumită parte din câştigul de economicitate se pierde. Acest dezavantaj poate fi contracarat prin strategia de utilizare a motorului si sistemului de tratare catalitică a gazelor de evacuare.

O altă consideraţie referitoare la sistemul de ardere în motoarele cu injecţie directă se referă la tendinţa crescută constatată spre emisia de fum. Dacă sistemul de ardere nu ar fi optimizat, formarea amestecului, pentru amestec stratificat, la sarcini parţiale mari nu ar putea evită zonele îmbogăţite în exces. Alte consecinţe negative rezultă dacă propagarea jetului injectat este împiedicarea si se creează un film excesiv de combustibil pe pereţi. Acest film de combustibil este acceptabil este acceptabil numai dacă mişcarea organizată permite îndepărtarea lui în timp util.

Avantajele arderii amestecurilor sărace, în sensul reduceri combustibil, pot di, de asemenea, obţinute si-n afara modului stratificat de funcţionare FEV a pus la punct un mod suplimentar de funcţionare cu amestecuri sărace si anume cu amestecul sărac omogen în domeniul sarcinilor mijlocii. Acesta permite extinderea avantajelor arderii amestecului sărace până la regimurile cu presiunea medie efectivă de 6 bar

Noile generaţii de sistem de injecţie necesită alte principii de formare a jetului. Similar cu îmbunătăţirile enorm realizate sistemele de injecţie diesel,injectoarele cu orificii cu până la 40 de jeturi (Mercedes) sunt intens discutate si cercetate ca o alternativă la atât de folositul injector cu duză de tip vârtej de rotaţie Un pas înainte l-ar putea constitui sistemul de injecţie flexibil referitor la momentul injecţie si a dozei injectate.

Optimizarea schimbului de gaze, prin utilizarea distribuţie variabile, si a geometrie colectorului de admisiune poate îmbunătăţi comportarea la regimurile de plină sarcină

Majoritatea motoarelor GDI actuale s-au dezvolta pe baza cerinţei de a realiza schimbări minime la motorul MPI aflat în producţie. Acestea poate produce un potenţial de economicitate promiţător, dar insuficient, pentru a realiza economii de 20% cât se cere pentru reducerea emisie de CO2

Primele motoare GDI cu amestec stratificat realizate în Japonia si Europa au provenit di versiunea MPI. Din intenţia de a nu schimba mult liniile tehnologice a rezultate poziţionarea laterală înclinat a injectorului, între supapele de admisiune, aproape de garnitura de chiulasă. Distanţa mare dintre injector si bujie necesită o geometrie specială a capătului pistonului si a mişcării aerului, pentru asigura transportul sigur al amestecului spre bujia centrală si stabilizarea stratificării. Oricum, complexitatea mare a sistemului GDI cu ghidarea la perete sau a curentului a fost subestimată, rezultând nu numai o amânare a introducerii pe piaţă, ci si într-o îmbunătăţire moderată a consumul de numai 5-12%.

Comparativ cu nivelul actual general 1 a GDI oferită un potenţial semnificativ de reducere a consumului:

- optimizarea fazei de înclinare a motorului;

- perfecţionarea sistemului de injecţie, a EMS si a tratării de evacuare;

- contolul mai bun la energie gazelor de evacuare;

- creşterea ponderii regimului cu ardere stratificată în condiţii reale de drum;

- reducerea posibilităţi regenerării sulfului prin utilizarea combustibililor cu conţinut redus de sulf.

Îmbunătăţirea consumului se datorează pierderilor mai mici de căldură la pereţi, iar emisiile mai mici de HC sunt rezultate îmbunătăţirii procesului de ardere. Oricum, cerinţele faţă de injector sunt mult mi sofisticat decât la generaţia 1 a GDI. Datorită spaţiului mai mic dintre injector si bujie timpul de formare a amestecului este redus