grupuri motopropulsoare

Grupuri motopropulsoare clasice si neconventionale 1. Distributia variabila Inca din secolul XIX au fost folosite astfel de sisteme la motoarele cu aburi, prin anii 1920 solutia a fost adoptata la unele motoare de aviatie, abia la sfarsitul anilor 1960 fiind brevetat primul sistem functional capabil de a modifica inaltimea de deschidere a supapelor in timpul functionarii motorului. Circulatia gazelor in motoarele cu 4 timpi este controlata de supape actionate in cvasitotalitatea cazurilor de arborii cu came. Profilul, pozitia si dime nsiunea camelor determina inaltimea de ridicare a supapelor si momentul in care incepe deschiderea acestora, asigurand in acest fel functionarea optima a motorului la un anumit regim. Utilizand mecanismele de variere a parametrilor mentionati se obtine un domeniu de functionare optimizata extins contribuind la cresterea performantelor si reducerea consumului si a emisiilor poluante. Motoarele cu mai mult de 2 supape pe cilindru, de e xemplu, au elasticitate redusa dar acest dezavantaj poate fi partial compensat prin utilizarea distributiei variabile. La turatii ridicate ale motorului, o intarziere mai mare a inchiderii supapei de admisie asigura o umplere mai buna a cilindrilor, insa aceeasi intarziere determina o functionare defectuoasa la ralanti si in regimuri de turatii scazute, cand o parte din amestecul carburant aspirat este “suflat” inapoi in admisie.In cazul motoarelor destinate competitiilor optimizarea distributiei se face pentru regimurile de turatii ridicate si din aceasta cauza nu pot mentine o turatie de mers in gol normala. Descriere, tipuri constructive Sistemele de distributie variabila sunt capabile sa modificemomentul, durata si inaltimea de deschidere a supapelor(una sau mai multe dintre acestea, in diferite combinatii) in timpul functionarii motorului.

In general, modificarea momentului deschiderii supapei este realizata prin intercalarea unui dispozitiv hidraulic intre pinionul de actionare si arborele cu came, acesta fiind capabil sa modifice pozitia relativa a celor doua repere, in trepte (doua sau chiar trei in cazul VANOS BMW) sau continuu. Variatorul foloseste presiunea uleiului din sistemul de ungere al motorului care este dirijata printr-o electrovalva comandata la randul sau de unitatea de control motor (ECU) si poate fi montat fie pe arborele care comanda supapele de admisie fie atat pe acesta cat si pe cel de evacuare. Strategia de functionare ia in calcul in principal turatia si sarcina motorului. Solutiile tehnice difera de la un constructor la altul, existand variante care utilizeaza came multiple cu profile diferite si “comuta” intre acestea, fiind de mentionat aici VTEC introdus de Honda in 1989 si MIVEC-Mitsubishi, 1992. Profilul diferit al camelor are avantajul de a avea unul destinat functionarii line, cu emisii reduse la regimuri de turatie joasa, si unul agresiv menit sa asigure maximum de putere la turatii ridicate. O solutie deosebita se intalneste la unele motoare Ferrari care dispun de came cu profiluri tridimensionale si la care arborele cu came se deplaseaza axial, astfel modificandu-se lobul urmarit de culbutor.

Sistemul de distribuție variabilă UniAir utilizat pe motoarele TwinAir și MultiAir de la Fiat Colaborarea dintre grupul Schaeffler și Fiat Powertrain a avut ca rezultat proiectarea și fabricarea primuluimotor cu ardere internă, cu sistem de distribuție variabilă cu acționare hidraulică. Sistemul, numit UniAir, controlează atât fazele de deschidere cât și înălțimea de ridicare a supapelor.

Foto: Sistemul de distribuție variabilă UniAir Sursa: INA Schaeffler

Potrivit producătorilor, un motor cu acest sistem de distribuție, comparativ cu un motor cu distribuție fixă, poate reduce semnificativ consumul de combustibil, iar emisiile de CO2 cu aproximativ 25%. Sistemul UniAir a debutat mai întâi pe motorul MultiAir de 1.4 litri, în 4 cilindri, pe benzină, ce echipează Alfa MiTo, ulterior fiind utilizat și pe motorul TwinAir, în 2 cilindri, pe benzină, ce echipează Fiat 500.

Foto: Motorul MultiAir de la Fiat Sursa: Fiat Utilizarea sistemului de distribuție UniAir vine cu o serie de avantaje : o o o o

sistem de control al supapelor mai compact îmbunătățirea comportării motorului la diferite regimuri (pornire, sarcini parțiale, accelerări) reducerea emisiilor de hidrocarburi (HC) cu până la 40%, a oxizilor de azot (NOx) cu 60% creșterea cuplului motor cu aproximativ 15%

Foto: Motorul TwinAir de la Fiat Sursa: Fiat Sistemul UniAir este un sistem de distribuție cu arbore cu came dar la care controlul supapelor de admisie se face prin comandă electrohidraulică. Un mare avantaj este că acest sistem nu depinde de tipul motorul, se poate utiliza atât pe benzină cât și pe diesel, iar pentru acționare utilizează uleiul din sistemul de lubrifiere al motorului.

Foto: Sistemul de distribuție variabilă UniAir de pe motorul MultiAir Sursa: INA Schaeffler

Datorită controlului precis al deschiderii supapelor de admisie, sarcina motorului se poate regla făra utilizarea unui obturator, pe toată gama de turații. În cazul unui motor diesel, sistemul UniAir permite controlul temperaturii de ardere prin varierea cantității de gaze arse rămase în cilindri. De asemenea, acest sistem de distribuție permite și varierea raportului de comprimare, astfel încât să se obțină o ardere completă și omogenă a amestecului aer-combustibil. Pe lângă varierea fazelor de deschidere și a înălțimii de ridicare a supapelor de admisie, sistemul UniAir permite deschiderea și închiderea supapelor de două ori pe același ciclu de admisie. Aceasta particularitate extinde suplimentar potențialul de control al procesului de ardere.

Foto: Sistemul Sursa: Fiat

de

distribuție

variabilă

UniAir

-

elemente

componente

supapă electrohidraulică (comandată de calculatorul de injecție) rezervor de ulei pompă cu piston culbutor de acționare arbore cu came (conține atât camele pentru supapele de admisie cât și cele pentru evacuare) 6. camă admisie 7. camă evacuare 8. canal hidraulic de legătură 9. cameră de presiune înaltă 10. chiulasă 11. supapă de admisie 12. supapă de evacuare 1. 2. 3. 4. 5.

Pentru deschiderea supapei de admisie (11), cama (6) apasă, prin intermediul culbutorului (4), pe pistonul pompei (3). Astfel, pompa creează o presiune hidraulică, care se transmite prin canele de legătură (8) la camerele de înaltă presiune (9). În aceste camere se află tijele supapelor asupra cărora va acționa presiunea uleiului și le va deschide. Controlul deschiderii supapelor de admisie se face de către supapa electrohidraulică (1), care variază presiunea uleiului din camera (9), ceea ce va avea ca rezultat varierea forței de apăsare a supra tijei supapei (11). La acest sistem de distribuție nu există legătură mecanică directă între arborele cu came (5) și supapele de admisie (11). Comanda de deschidere este dată prin sistemul hidraulic, a cărui presiune este controlată de supapa electrohidraulică (1), comandată închis sau deschis. Când supapa electrohidraulică (1) este complet închisă, datorită incompresibilității uleiului, sistemul se comportă ca un sistem de distribuție clasic, deschiderea supapei de admisie (11) fiind legată de profilul camei (6). Datorita gradului mare de flexibilitate al deschiderii supapelor, calculatorul de injecție conține o serie de strategii de control, activate în funcție de regimul de funcționare al motorului.

Foto: Sistemul de distribuție UniAir - moduri de funcționare Sursa: Fiat Full Lift (ridicare totală) Pentru regimul de putere maximă supapa electrohidraulică este tot timpul închisă, iar supapa de admisie se deschide până la înălțimea maximă, urmărind profilul camei. În acest mod de funcționare se obține puterea maxima la turații ridicate.

EIVC - Early Intake Valve Closing (închidere cu avans a supapei de admisie) La turații joase, pentru a obține un cuplu ridicat, supapa electrohidraulică este deschisă înainte de sfârșitul acționării camei, ceea ce conduce la o închidere cu avans a supapei de admisie. Acest mod de funcționare elimină curgerea inversă a gazelor proaspete, înapoi în galeria de admisie și maximizează cantitatea de aer admisă în cilindri. Partial Load (sarcini parțiale) În domeniul sarcinilor parțiale supapa electrohidraulică este de asemena acționată mai devreme, ceea ce conduce la o închidere cu avans a supapei de admisie. Prin acest mod de acționare se poate controla cantitatea de aer din cilindri în funcție de cup lul cerut de la motor.

Foto: Sistemul de distribuție UniAir - regimuri de funcționare Sursa: MTZ LIVO – Late Intake Valve Opening (deschidere cu întârziere a supapei de admisie) De asemenea, în timpul acționării camei, supapa electrohidraulică poate fi deschisă, ceea ce conduce la o ridicare parțială și cu întârziere a supapei de admisie. Astfel, se controlează cantitatea de aer ce intră în cilindri precum și turbulența acestuia, obținându-se o turație de ralanti redusă și stabilă. Multilift (ridicări multiple) Strategiile de control pentru sarcini parțiale și pentru deschidere întârziată se pot combina într-o singură strategie ce are ca rezultat deschiderea multiplă a supapei pe ciclul de admisie. Prin acest mod de funcționare se optimizează turbulența în cilindri, fenomen ce are un impact pozitiv asupra procesului de ardere.

Sistemul de distribuție MultiAir a fost proiectat și fabricat astfel încât să satisfacă atât condițiile de performanță cât și de cost. S-a acordat o atenție deosebită dimensiunilor sistemului, maselor și a frecărilor dintre piesele în mișcare. De asemenea, utilizarea uleiului de ungere a motorului, pentru acționarea supapelor, s-a dovedit soluția optimă din punct de vedere al costurilor. Avantajele utilizării sistemului de distribuție MultiAir sunt sintetizate în tabelul de mai jos : Emisii CO2 / consum de combustibil

♦ mai mic cu 25% pe motoarele turbosupraalimentate, cu cilindree redusă, la aceeași putere ♦ mai mic cu 10%, pe motoare aspirate, cu aceeași cilindree

Cuplul motor la turații mici

♦ mărit cu 15%

Cuplul motor maxim

♦ mărit cu 10%

Puterea maximă

♦ mărită cu 10%

Emisii poluante pe ciclu NEDC

♦ reduse cu 60% pentru oxizi de azot (NOx), funcționare ca EGR intern ♦ reduse cu 40% pentru monoxid de carbon (CO) și hidrocarburi (HC)

Manevrabilitate Plăcerea de a conduce

♦ răspuns rapid la accelerații ♦ "turbo- lag" redus, la motoarele turbosupraalimentate

Distributia variabila Valvetronic de la BMW Începând cu anul 2001, BMW a introdus noul motor pe benzină, în patru cilindri, echipat cu sistemul de distribuție variabilă Valvetronic. Acest motor (cod N42) a fost primul cu distribuție variabilă electromecanică, cu variație continuă a înălțimii de ridicare a supapelor de admisie. Datorită acestui sistem de distribuție motorul N42 avea consumul de combustibil mai mic cu 15%, comparativ cu motorul de generație mai veche.

Foto: Sistemul de distribuție Valvetronic & VANOS Sursa: BMW De la lansarea primei versiuni de distribuție variabilă, sistemul Valvetronic a fost îmbunătățit continuu astfel încât să satisfacă cerințele tot mai severe în ceea ce privește emisiile poluante și gazele cu efect de seră. Datorită performațelor excepționale ale motoarelor echipate

cu acest sistem de distribuție BMW a produs în anul 2008 peste 2.5 milioane de motoare echipate cu Valvetronic. Pentru a preîntâmpina viitoarele norme de emisii poluante, BMW a demarat începând cu anii 1990 studiul privind concepția unui sistem de distribuție variabilă. Având în vedere necesitatea de producere în masă a acestui sistem, s-a pus accent pe principiul de funcționare potrivit pentru acest concept. BMW a studiat potențialul sistemelor de distribuție mecanice, hidraulice și electromecanice, precum și combinații între acestea, iar în final s-a decis pentru utilizarea unui sistem de acționare electromecanic. Tipul sistemului de distribuție Anul Motorul 2001 L4 (N42) 2001 V8 (N62) Valvetronic generația I

2003 V12 (N73) 2005 L6 (N52)

Valvetronic generația II

2006 L4 (Mini) Sursa: MTZ

Motoarele cu sistem de distribuție variabilă Valvetronic echipează toată gama de automobile BMWprecum și modele Mini și Rolls Royce. A doua generație de Valvetronic a fost introdusă prima oară pe motorul N52, cu șase cilindri în linie, fiind un sistem optimizat care a permis îndeplinirea normelor de poluareSULEV.

Foto: Componentele sistemului de distribuție Valvetronic Sursa: BMW 1. chiulasă 2. supapă de evacuare 3. supapă de admisie 4. arbore cu came evacuare 5. motor electric de acționare 6. angrenaj melcat (raport de transmitere 51:1) 7. arbore cu excentric 8. levier intermediar 9. arbore cu came admisie 10. arc de revenire levier intermediar 11. culbutor 12. reazem hidraulic culbutor

Deschidere a supapei de admisie (3) se realizează prin intermediul levierului intermediar (8) poziționat între arborele cu excentric (7) și culbutor (11). Arborele cu came (9) acționează asupra levierului intermediar care apasă pe supapa de admisie. Înălțimea de ridicare a supapei de admisie este ajustată în funcție de poziția arborelui cu excentric. Astfel, deschiderea supapei se realizează prin combinarea mișcării arborelui cu came cu cea a arborelui cu excentric. Pentru reducerea frecărilor dintre piesele aflate în mișcare, toate zonele de contact dintre arborele cu excentric (7), levier intermediar (8), culbutor și arbore cu came utilizează rulmenți cu role.

Foto: Sistemul de distribuție Valvetronic – vedere asupra sistemului de acționare Sursa: BMW

Poziția arborelui cu excentric permite o deschidere a supapei de admisie de: o o

0.27 mm la regim ralanti 9.7 mm la sarcină maximă Sarcina motorului este controlată cu ajutorul motorului electric (5) care, în funcție de poziția pedalei de accelerație, poziționează arborele cu excentric pentru a realiza deschiderea necesară a supapei de admisie. Arcul de revenire (10) are rolul de a menține contactul între levierul intermediar și culbutor. Timpul de răspuns al sistemului este 0.3 secunde.

Foto: Valvetronic – poziția arborelui cu excentric pentru deschiderea minimă a supapei Sursa: BMW

Foto: Valvetronic – poziția arborelui cu excentric pentru deschiderea maximă a supapei Sursa: BMW

Sistemul de distribuție Valvetronic variază în mod continuu înălțimea de ridicare a supapelor între 0.27 mm (regim ralanti) și 9.7 mm (sarcină maximă). Împreună cu sistemul VANOS, care realizează variația continuă a fazelor de deschidere și închidere a supapelor de admisie și evacuare, distribuția Valvetronic poate regla sarcina motorului fără a avea nevoie de o clapeta obturatoare.

Foto: Sistemul de distribuție Valvetronic – varierea înălțimii de ridicare a supapelor de admisie Sursa: MTZ (BMW) Altfel spus, poziția pedalei de accelerație se transformă în înălțimea de deschidere a supapei de admisie. Când conducătorul auto apasă pe pedala de accelerație, calculatorul de comandă a distribuției Valvetronic ajustează, cu ajutorul motorului electr ic (5), poziția arborelui cu excentric (7), reglând astfel punctul de funcționare al motorului (sarcina și turația).

Foto: Sistemul de distribuție Valvetronic – poziția minimă și maximă a supapei de admisie Sursa: BMW

La motoarele cu sistem de distribuție Valvetronic, în regim de funcționare normală, sarcina se reglează doar din deschiderea supapelor de admisie și nu din clapeta obturatoare. Cu toate acestea motoarele sunt echipate cu clapete obturatoare care sunt utilizate în condiții speciale: la pornirea motorului: clapeta obturatoare este parțial închisă pentru a crea vacuum în sistemul de admisie, necesar sistemelor de reducere a poluării; după pornirea motorului vacuumul este produs în continuare de o pompa de vacuum iar clapeta obturatoare se deschide complet o în cazul defectării sistemului de distribuție Valvetronic: motorul funcționează în regim de avarie, sarcina acestuia fiind controlată cu ajutorul clapetei obturatoare Sistemul de control al distribuție Valvetronic conține motorul electric de acționare, o unitate electronică de control (calculator) și un senzor de poziție montat pe arborele cu excentric. Rolul senzorului de poziție este de a informa unitatea electronică de control dacă arborele cu excentric are poziția unghiulară dorită. Cererea de cuplu motor a conducătorului auto, exprimată prin poziția pedalei de accelerație, este trimisăcalculatorului de injecție care o transforma în cantitatea de aer necesară și ulterior în înălțimea de ridicare a supapei de admisie. Aceasta informație este trimisă unității de control a sistemului Valvetronic care ajustează poziția arborelui cu excentric pentru a controla cantitatea de aer ce intră în cilindri. A doua generație de sistem de distribuție Valvetronic vine cu o serie de îmbunătățiri menite să reducă timpul de răspuns al sistemului, consumul de combustibil și să crească puterea specifică (litrică) a motorului. Pentru a răspunde acestor cerințe, asupra sistemului de distribuție s-au efectuat următoarele modificări: o reducerea pierderilor prin pompaj la sarcini parțiale prin optimizarea profilului de ridicare a supapelor de admisie o reducerea frecărilor dintre piesele în mișcare o optimizarea arderii în cilindri o reducerea maselor pieselor o

Foto: Sistemul de distribuție Valvetronic - a doua generație Sursa: BMW

Pe lângă modificările de ordin mecanic ale pieselor sistemului de acționare s-a modificat și profilul camelor de acționare, cu scopul de a optimiza procesul de ardere. Cele doua supape de admisie au profil de ridicare diferit, asimetrice. Prin acest procedeu s-a reușit crearea unui efect de vârtej la curgerea aerului în cilindri care are ca impact îmbunătățirea procesului de ardere, mai ales la sarcini parțiale.

Foto: A doua generație a sistemului de distribuție Valvetronic – vedere a sistemului de acționare a supapelor Sursa: BMW Generația a doua a sistemului de distribuție Valvetronic vine și cu îmbunătățiri ale sistemului electronic de control. Astfel poziția arborelui cu excentric este controlată direct de calculatorul de injecție, care conține și etajul de amplificare necesar pentru acționarea motorului de curent continuu. Sistemul de distribuție Valvetronic interacționează cu sistemul VANOS care presupune varierea fazelor de distribuție. În timp ce Valvetronic realizează control înălțimii de deschidere ale supapelor de admisie, VANOScontrolează momentului de deschidere și închidere al supapelor. Cu aceste două sisteme combinate se obține varierea continuă a înălțimii de ridicarea și a fazelor pentru supapele de admisie.

Foto: Sistemul de variere a fazelor de distribuție Dublu VANOS Sursa: BMW În 1992 motorul E34 a fost primul echipat cu distribuție VANOS, care acționa doar arborele cu came pentru admisie, în doua poziții fixe. Ulterior, în 1996, sistemul a evoluat în Dublu VANOS care permite varierea continuă a fazelor supapelor de admisie și evacuare, între o valoarea minimă și maximă. Motorul E36 a fost primul care a beneficiat de sistem de distribuție Dublu VANOS.

Foto: Sistemul de variere a fazelor de distribuție Dublu VANOS – componente Sursa: BMW 1. 2. 3. 4. 5.

arbore cu came lanț de distribuție (antrenare) cilindru conducător cilindru condus supapă electromagnetică Sistemul Dublu VANOS permite modificarea momentului de deschidere a supapelor prin controlul poziției unghiulare a arborelui cu came (1). La un sistem clasic de distribuție între lanțul/cureaua de acționare și arborele cu came există o legătură fixă, care nu permite mișcarea relativă între cele două componente. La sistemul VANOS se poate modifica poziția arborelui cu came în raport cu lanțul de antrenare, datorită camerei hid raulice aflată între cilindrul conducător (3) și cel condus (4). Prin controlul presiunii din acesta cameră hidraulică se poate poziționa cilindrul (4) în raport cu cilindrul (3). Presiunea de ulei este controlată prin intermediul unei supape electromagnetice (5) comandata de calculatorul de injecție. Pentru fiecare arbore, de admisie sau evacuare, există câte o supapă electromagnetică care pot fi acționate independent una față de cealaltă.

Foto: Exemplu de fazele de distribuție ale sistemului Dublu VANOS Sursa: e-automobile.ro Sistemul VANOS ajustează poziția unghiulară a celor doi arbori cu came. Rezultatul constă în creșterea cuplului motor la turații joase și mai multă putere la turații înalte, reducânduse în același timp consumul de combustibil și emisiile poluante. La turații joase arborele cu came de admisie este poziționat astfel încât supapele de admisie să se deschidă cu întârziere, îmbunătățindu-se astfel stabilitatea turației de ralanti. Odată cu creșterea turației supapele de admisie se deschid cu avans, mai mult aer pătrunde în cilindri, ce are ca efect creșterea cuplului motor. La turații foarte înalte supapele de admisie se deschid cu întârziere pentru a permite obținerea puterii maxime. Cu sistemul Dublu VANOS se poate controla și cantitatea de gaze arse, reziduale, ce rămân în cilindri. Prin suprapunerea prelungită a timpului de deschidere a supapelor de admisie și evacuare sistemul funcționează ca un EGR intern, prin care se reduc emisiile poluante. De asemenea varierea fazelor de distribuție este utilizată și la pornirea motorului, în faza de încălzire, pentru a permite catalizatorului pe trei căi și sondei lambda să atingă mai repede temperatura nominală de funcționare. Prin utilizarea sistemului Valvetronic, pentru prima oara pe un motor cu ardere internă cu benzină sarcina motorului poate fi controlată fără utilizarea unei clapete obturatoare. Datorită acestui avantaj pierderile de pompaj sunt reduse la minim cu efect asupra creșterii performanțelor dinamice și a reducerii consumului de combustibil. Testele efectuate asupra primului motor cu patru cilindri, echipat cu sistem de distribuție Valvetronic, au arătat o reducere cu 15% a consumului de combustibili și o creștere cu 20% a performanțelor dinamice, comparativ cu motorul predecesor. Un motor pe benzină aspirat, echipat cu a doua generație de distribuție Valvetronic, poate ajunge la puteri specifice de peste 90 CP/litru și cuplu motor specific de 105 Nm/litru, respectând în același timp reglementările în ceea ce privește emisiile poluante. Cu tehnologia Valvetronic s-a reușit reducerea consumului de combustibil pentru toată gama de motoare pe benzină, automobilele putând fi comercializate pe plan internațional

deoarece sistemul nu este sensibil la calitatea combustibilului. De asemenea, toate reglementările de emisii poluante în vigoare sunt îndeplinite, inclusiv cele extrem de severe cum ar fi SULEV din USA.

2. Motoare rotative Scurt istoric Motorul rotativ a fost patentat in 1936 de catre inginerul german Felix Wankel. Primele desene si prototipuri au fost create in anii 1920, insa doar in anii 1950 cand Wankel a inceput colaborarea cu producatorul german de masini si motociclete, NSU, motorul a ajuns sa fie dezvoltat la un nivel la care sa poata fi utilizat pe un vehicul. Principiile de functionare ale motorului rotativ Ca si un motor cu piston, motorul rotativ foloseste presiunea creata cand o combinatie de aer si combustibil este arsa. La un motor cu piston, presiunea este creata in cilindri si forteaza pistoanele sa se miste inainte si inapoi, iar prin sistemul biela- manivela si arborele cotit, aceasta miscare liniara este transformata intr-o miscare de circulara necesara pentru deplasarea masinii.

Motorul rotativ foloseste acelasi principiu de transformare a presiunii in miscare de rotatie, ca si la motoarele cu piston. Motorul Wankel este un motor in 4 timpi de o constructie mai simpla decat motoarele clasice cu ardere interna. Iata mai jos o schema cu principiul de

functionare

Partile componente ale unui motor Wankel Constructia motorului Wankel este relative simpla si compacta. Principalele piese componente sunt:  Rotorul. Rotorul are 3 fete convexe, fiecare actionand ca un piston. Fiecare fata are un buzunar care permite mai mult spatiu pentru amestecul de aer si combustibil. La varful fiecarei fete gasim o lama de metal pentru a separa camerele motorului.  Corpul motor. Carcasa este forma aproximativ ovala. Forma camerei de combustie este conceputa in asa fel incat cele 3 varfuri ale rotorului sa ramana mereu in contact cu peretele camerei, formand 3 volume sigilate de gaz. Fiecare parte a carcasei este dedicate unuia din cele 4 procese: admisie, compresie, ardere sievacuare Orificiile de admisie si evacuare se gasesc in carcasa si nu exista supape pentru acestea. Orificiul de evacuare se conecteaza direct la sistemul de evacuare, iar orificul de admisie se conecteaza direct la acceleratie.  Arborele. Axul principal este prevazut cu came montate excentric si fiecare rotor se aseaza pe una din aceste came.

Avantaje si dezavantaje al motorului rotativ Wankel Motorul Wankel are destul de multi fani care apreciaza structura simpla, durabilitatea si fiabilitatea lui. Greutatea mica si dimensiunea redusa sunt elemente cautate mai ales de cei care doresc o masina cu character sportiv. Un aspect interesant este plaja cuplului motor care este constanta indiferent de turatie. Prin structura simpla, fara pistoane, biele, valve mecanice sau curele, este mai usor de fabricat si datorita pieslor in miscare mai putine este si mai fiabil. Trebuie luat in considerare si faptul ca daca motorul functioneaza la 8.000 rpm, rotorul se invarte doar la o treime ceea ce in timp il face mult mai fiabil decat motoarele cu pistoane. La capitolul dezavantaje trebuie amintit ca etanseizarea camerelor nu este foarte buna si de aici rezulta benzina nearsa si implicit un consum mare. Un alt mare minus in zilele noastre este dat de faptul ca emisiile de gaze sunt semnificativ mai mari decat la un motor classic.

3. Motoare cu raport de comprimare variabil Avantajele motoarelor cu VCR O caracteristica importanta a motoarelor de automobil este marea varietate a regimurilor de functionare. Printre acestea, regimurile de sarcini mici si mijlocii au un rol esential, deoarece functionarea la aceste regimuri este definitorie pentru economicitatea motorului. Din nefericire, la aceste regimuri randamentul termic este mult diminuat în comparatie cu cel înregistrat la sarcina plina. În concluzie, ar trebui cautate solutiile constructive care actioneaza îndeosebi în zona acestor regimuri, pentru a determina o crestere a randamentului termic. În cazul motoarelor cu aprindere prin scînteie, controlul cantitativ al sarcinii prin obturarea canalului de admisie determina nu numai pierderile prin pompaj dar si micsorarea raportului real de comprimare al gazelor (εp). Datorita valorii fixe (invariabile în timpul functionarii) a raportului geometric de comprimare (εv), masa mai mica de încarcatura proaspata, ce rezulta în urma scaderii nivelului de sarcina, va ocupa acelasi volum la sfîrsitul cursei de comprimare, astfel ca amestecul va fi mai putin comprimat fata de situatia înregistrata la sarcina plina. Acesta constituie principalul dezavantaj al motoarelor cu aprindere prin scînteie. Rezulta, deci, ca devine economica cresterea raportului geometric de comprimare (εv) cu scaderea nivelului de sarcina, în acest mod gradul sau raportul real de comprimare al gazelor (εp) fiind refacut. În etapele sale de evolutie motorul a trecut de la un reglaj manual al avansului la aprindere, la deja perimatul ruptor-distribuitor care înseamna un reglaj automat în functie de sarcina si turatie. De asemenea, carburatorul a devenit din ce în ce mai sofisticat, iar în cele din urma s-a trecut la actualul sistem de injectie electronica de benzina, în care dozajul se face în functie de sarcina, turatie, temperatura si alti parametri de functionare - adica tot la un sistem automat. În plus fata de acestea, renuntarea la sistemul de distributie fixa, optimizat pentru un singur regim de functionare (de regula, regimul sarcinii pline) si trecerea la un sistem de distributie variabila cu sarcina si cu turatia a fost deja facuta. Este deci absolut logica, în evolutia motorului, trecerea la automatizarea reglarii proceselor fundamentale, respectiv la variatia raportului geometric de comprimare.

4. Schimbarea modului de aprinde a combustibilului PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE CU AMESTEC OMOGEN La MAC-AO, la fel ca și la motoarele convenționale cu aprindere prin scânteie, combustibilul este amestecat cu aerul fie în galeria de admisie fie în interiorul cilindrului (în cazul injecției directe). Amestecul format este apoi comprimat in timpul cursei de comprimare. La finalul procesului de comprimare, amestecul se autoaprinde într-un mod similar cu autoaprinderea la motoarele convenționale cu aprindere prin comprimare. Pentru a exista condițiile necesare autoaprinderii la sfârș itul procesului de comprimare, temperatura amestecului de la începutul procesului de comprimare trebuie ridicată. Acest lucru se poate realiza fie prin încălzirea aerului admis fie prin menținerea unei părți din gazele arse în cilindru. Folosind una din aceste metode, temperatura din timpul procesului de comprimare crește, ceea ce grăbește reacțiile chimice premergătoare procesului de ardere a amestecului aercombustibil omogen. OBȚINEREA MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE CU AMESTEC OMOGEN PLECÂND DE LA PLATFORMA MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE La MAC-AO derivate din motoarele cu aprindere prin scânteie, aprinderea este obținută controlând temperatura, presiunea și compoziția amestecului aer-combustibil, astfel încât arderea să înceapă la momentul potrivit, evitându-se degajările bruște de căldură. Spre deosebire de motoarele clasice cu aprindere prin scânteie sau cu aprindere prin comprimare, nu există un mecanism direct de inițiere a aprinderii, cum este scânteia dată de bujie la MAS sau injecția de combustibil la MAC. Din acest motiv, condițiile inițiale au o influență foarte mare asupra procesului de ardere. În cazurile ideale, arderea la MAC-AO este declanșată de o autoaprindere a amestecului deja format în tot volumul camerei de ardere. Spre deosebire de motoarele clasice cu aprindere prin scânteie, nu există un front al flăcării. La MAC-AO se poate observa apariția mai multor nuclee de autoaprindere. Căldura se degajă din acest motiv mult mai repede, procesul de ardere apropiindu-se foarte mult de procesul de ardere la volum constant caracteristic MAS ideale. În figura 2.5 se poate observa diferența dintre funcționarea în regim MAC-AO și funcționarea în regim MAS a unui motor menținând constanți parametrii de funcționare. Se observă o creștere a presiunii mult mai bruscă în cazul MAC-AO decât în cazul MAS.

Figura 2.5. Presiunea din cilindru în timpul funcționarii motorului ca MAS și ca MAC-AO[102]

5. Propulsia autovehiculelor utilizand turbine cu gaze Definiția turbo supraalimentării Un motor aspirat este un motor la care introducerea aerului în motor se face datorită depresiunii creată de deplasarea pistonului către arborele cotit în timpul curse i de admisie. Se numește „aspirat” deoarece aerul este introdus la o presiune inferioară presiunii atmosferice (< 1 bar). În cazul motoarelor supraalimentate aerul, înainte de a fi introdus în cilindru, este precomprimat de un compresor, presiunea ajungând la valori de până la 2.5 – 3 bari. „Turbo” este termenul care arată că gazele de evacuare sunt utilizate, prin intermediul unei turbine, pentru a pune în mișcare compresorul. Construcția și funcționarea unui grup turbo-compresor Un sistem de supraalimentare cu turbo-compresor este compus în principal din: turbină, arbore de antrenare și compresor. Turbina și compresorul sunt fixate între ele printr- un arbore de antrenare. În cazul turbinei gazele de evacuare intră radial și ies axial iar în cazul compresorului aerul este aspirat axial și refulat radial.

Alt: Sistem de turbo supraalimentare. Foto: Wikimedia Commons

Cum funcționează? Gazele de evacuare rezultate în urma arderii au o viteză foarte mare deci energie cinetică foarte mare. Acestea sunt colectate în galeria de evacuare și apoi redirecționate spre turbină care, în contact cu gazele evacuate, este pusă în mișcare. La rândul ei turbina antrenează compresorul care aspiră aer din galeria de evacuare și- l comprimă înainte sa fie introdus în cilindru.

Foto: Secțiune printr- un turbo-compresor Sursa: Bosch Tehnologia turbo supraalimentării utilizată în industria automobilelor vine în mai multe variante. Clasificarea majoră se face în funcție de geometria grupului turbină, de prezența sa u absența sistemului de răcire al aerului comprimat și de numărul de grupuri turbo-compresor utilizate. Tipuri de turbine utilizate Turbina cu geometrie fixă (FGT) plus wastegate (supapă de refulare) și intercooler (răcire intermediară). Atenție! Geometrie fixă sau variabilă nu se referă la geometrie efectivă a turbinei ci la geometria galeriei prin care trec gazele de evacuare.

Foto: Sistem de turbo supraalimentare cu turbină cu geometrie fixă, intercooler și wastegate. Principiul de funcționare este simplu, aerul este aspirat în compresor după ce a trecut prin filtrul și ridicat le o presiune superioară înainte de a fi introdus în motor. Datorită presiunii ridicate după comprimare temperatura aerului crește ceea ce conduce la o scădere a densității deci implicit a masei de aer proaspăt. Creșterea temperaturii este rezultatul combinat a trei factori: o adaosul de energie suplimentară datorită procesului de comprimare o curgerea turbulentă a aerului prin compresor o transferul de căldură de la turbină la compresor Temperatura ridicată a aerului admis în motor are efecte negative asupra performanțelor motorului, consumului și a emisiilor poluante. Pentru a elimina aceste dezavantaje se recurs la răcirea aerului comprimat prin intermediul unui intercooler, sistem care aduce următoarele avantaje: o o o

creșterea densității aerului admis în motor, ce are ca efect creșterea puterii motorului cu până la 25% față de versiunea fără răcire intermediară reducerea tensiunilor termice asupra turbinei și motorului datorită scăderii temperaturii din cilindrii scăderea consumului de combustibil cu până la 5% față de versiunea fără răcire intermediară, mai ales datorită eficienței ridicate a răcirii la turații scăzute

Foto: Radiatorul de răcire intermediară a aerului comprimat (intercooler) Sursa: Wikimedia Commons Sistemul de răcire este pentru majoritatea automobilelor de tipul aer-aer, adică fluxul de aer exterior este utilizat pentru răcirea aerului comprimat. Răcirea se face cu ajutorul unui radiatorul care se poziționează de obicei în fața radiatorului de răcire al motorul. În cazul sistemelor de supraalimentare cu turbină cu geometrie fixă dimensionarea acestora se face astfel încât presiunea furnizată de compresor să aibă valori mari începînd de la valori mici ale turației motorului. Problema apare la turațiile mari ale motorului deoarece presiunea generată de compresor este prea mare și poate afecta stabilitatea mecanică și termică a motorului. Soluția vine odată cu utilizarea unei supape de refulare numită wastegate care la regimuri de turație ridicate se deschide și redirecționează gazele de evacuare ocolind turbina. Astfel este limitat debitul de gaze arse din turbină care conduce la o limitare a turației compresorului și deci o limitare a presiunii aerului comprimat.

Foto: Turbină cu geometrie fixă și wastegate Sursa: Wikimedia Commons

Acționarea supapei de refulare se face cu ajutorul unei tije care de obicei este comandată pneumatic. Deschiderea sau închiderea supapei de refulare se face automat, în funcție de presiunea aerului după compresor sau prin acționarea unei electro-supape comandată de calculatorul de injecție. În cazul în care comanda se face electronic este necesară prezența unui senzor de presiune pe galeria de admisie. Motorul cu 6 cilindrii în linie, pe benzină, turbo supraalimentat, de la BMW (TwinTurbo) este compus din două grupuri turbo-compresor, un grup pentru fiecare set de 3 cilindrii. Turbinele sunt cu geometrie fixă iar limitarea presiunii aerului admis se face cu ajutorul unor supape de refulare.

Foto: Twin- Turbo Sursa: BMW Continental este unul din furnizorii de grupuri turbo-compresor pentru industria de automobile. În imagine este prezentat un sistem de turbo supraalimentare cu turbină cu geometrie fixă, destinat motoarelor pe benzină. Observați cilindrul pneumatic conectat la tija de acționare a supapei de refulare. Limitarea presiunii de supraalimentare se face automat utilizînd presiunea aerului precomprimat.

Foto: Grup turbo-compresor cu turbină cu geometrie fixă și wastegate. Sursa: Continental O alternativă la turbinele cu geometrie fixă și supapă de refulare este turbina cu geometrie variabilă (VGT). Constructiv turbina este aceeași ca în cazul celei cu geometrie fixe. Diferența este dată de existența unor palete la intrarea în turbină care ajustează secțiunea de curgere a gazelor de evacuare. Modificarea secțiunii de curgere are ca efect modificare vitezei de curgere a gazelor deci implicit a turației turbinei. Acest mecanism permite controlul presiunii de supraalimentare prin controlul turației compresorului.

Foto: Turbină cu geometrie variabilă Sursa: Turbo Technics

Turbina cu geometrie variabilă permite modificarea secțiunii de curgere a gazelor de evacuare în funcție de regimul de funcționare al motorului. Acest lucru facilitează utilizarea optimă a grupului turbo-compresor, ceea ce conduce la creșterea randamentului motorului termic în comparație cu versiunea de turbo-compresor cu geometrie fixă și wastegate.

Poziția paletelor pentru o turație scăzută a motorului

Poziția paletelor pentru o turație ridicată a motorului

Foto: Turbină cu geometrie variabilă Sursa: Borg Warner Un element important al unui grup turbo-compresor sunt bucșele de frecare situate între arborele ce conectează turbina de compresorul și carcasă. Acestea sunt confecționate din bronz și au rolul de a reduce frecare în timpul funcționării turbo-compresorului. Pentru lubrifierea și răcirea pieselor în mișcare se utilizează uleiul motor la o presiune de aproximativ 4 bari. Turațiile la care pot ajunge turbo-compresoarele se situează în jurul valorii de 180.000 rot/min. Aceste solicitări extreme impun o echilibrare perfectă a pieselor în mișcare precum și un debit de ulei adecvat. Acționare palelor turbine cu geometrie fixă se face de obicei cu ajutorul unui cilindru pneumatic comandat electronic. Pentru un control mult mai precis al presiunii de supraalimentare este necesară utilizarea sistemelor de acționare electrice. De exemplu Mahle a dezvoltat un grup turbo-compresor cu geometrie fixă la care acționarea wastegate-ului se face cu un motor electric.

Foto: Turbo-compresor cu acționare electrică Sursa: Mahle

Avantajele turbo supraalimentării În comparație cu un motor termic aspirat ce produce aceeași putere maximă, consumul de combustibil al unui motor turbo supraalimentat este mai mic, fenomen datorat și recuperării unei părți din energia disipată în gazele de evacuare care este utilizată pentru îmbunătățirea randamentului general al motorului. De asemenea datorită capacității cilindrice mai reduse al unui motor turbo se reduc și pierderile termice și prin frecări contribuind la creșterea randamentului.

Foto: Comparație curbe de cuplu motor (motor aspirat vs. motor turbo la aceeași capacitate cilindrică) Caracteristica de cuplu al unui motor turbo supraalimentat are următoarele avantaje în comparație cu un motor aspirat: o o

cuplul maxim este produs începând cu turațiile joase cuplul maxim este constant pe o plaja mai largă de turații Performanțele unui motor turbo supraalimentat sunt net superioare unui motor aspirat mai ales în cazul exploatării acestora în zone cu altitudine rid icată unde pierderea semnificativă de putere afectează majoritatea motoarelor aspirate datorită presiunii scăzute. Avantajele turbo supraalimentării sunt evidente atât în ceea ce privește performanțele dinamice cât și emisiile poluante. Tendința constructorilor auto este de a introduce turbo supraalimentarea pe toate noile motoare, în acest mod păstrând performanțele dinamice dar la o cilindree mai mică. Tehnologiile de supraalimentare au evoluat considerabil datorită cerințelor de reducere a consumului pe de-o parte și datorită unui trend ascendent în ceea ce privește puterea raportată la capacitatea cilindrică pe de altă parte. Noile tehnologii turbo, dublă supraalimentare (R2STM) sau acționarea electrică a compresorului (e-Booster) sunt deja pe lista de componente ale producătorilor de automobile. Construcția și modul de funcționare ale acestor tehnologii vor fi dezbătute în articolele viitoare.

6. Utilizarea unor cutii de viteze mode rne Transmisiile care au în componenţă CV mecanice în trepte oferă maxim cinci sau şase rapoarte de transmitere, ceea ce determină rezolvarea în mod incomplet, discontinuuşi frecvent neeconomic a adaptării motorului la cerinţele autopropulsării automobilului. Utilizarea cu eficienţă maximă a performanţelor sursei energetice este posibilănumai prin utilizarea unei CV cu variaţie continuă a raortului de transmitere. Transmisiile cu variaţie continuă a raportului de transmitere, denumite CVT au în componenţa lor, pelângă mecanismele clasice de adaptare şi transfer al fluxului de putere, convertizoaremecanice de cuplu cu variaţie continuă a raportului detransmitere. Variatoarele(convertizoarele) mecanice utilizate în ansamblul CVT sunt sisteme mecanice în caretransformarea succesivă a energiei se face în cadrul aceleiaşi forme de energie (energiemecanică). Variatoarele mecanice ce intră în componenţa CVT sunt bazate pe principiultransmiterii fluxului de putere între unitatea de intrare şi cea de ieşire printr-un elementde legătură, rigid sau flexibil, care prin modificarea poziţiei faţă de aceste două elementedetermină modificarea raportului de transmitere. Singura soluţie aplicabilă în producţiade serie este cea a convertizoarelor cu fulii de diametru variabil, cu element intermediar flexibil, continuu sau articulat. În prezent, CVT sunt impuse de potenţialul lor înoptimizarea funcţionării globale a grupului motopropulsor, de confortul oferit înconducere şi de disponibilităţile de conlucrare cu sursele energetice alternative în cazul automobilelor hibride. Utilizarea CVT asigură:  îmbunătăţirea performanţelor dinamice şi de consum, în special în regimurile tranzitorii, prin adoptarea din domeniul de reglare a raportului optim de transmitere;  sporirea duratei de utilizare a motorului prin transmiterea fluxului de putere în modcontinuu;  ameliorarea confortului în conducere prin automatizarea cuplării ambreiajului şi a schimbării rapoartelor de transmitere;  îmbunătăţirea controlului emisiilor poluante şi reducerea nivelului de zgomot

6.1.Cutii de viteze cu variatie continua a raportului de transmisie După cum spune și numele, transmisiile cu variație continuă (CVT), comparativ cu transmisiile cu rapoarte fixe, își modifică raportul de trans mite re continuu între o valoare minimă și maximă. Transmisiile clasice mecanice, fie că sunt automate sau manuale, au un număr finit de rapoarte iar schimbarea acestora se face în salturi. Teoretic o transmisie cu variație continuă are un număr infinit de rapoarte.

Fig.1.1- Variatorul de turaț ie al unei transmisii cu variație continuă

A – raportul de transmitere cel mai mare al variatorului (2.52) – echivalentul primei trepte dintro cutie manuală B – raport intermediar C – raportul de transmitere cel mai mic al variatorului (0.423) – echivalentul ultimei trepte dintro cutie manuală 1. fulia conducătoare 2. fulia condusă a – intrarea de la motor b – ieșirea din variator

Mișcare curelei metalice are două componente: o o

mișcarea de rotație pentru transmiterea cuplului motor mișcare plan paralelă pentru varierea raportului de transmitere Părțile mobile ale celor două fulii se deplasează axial fiind acționate de cilindri hidraulici. Prin modificarea presiunii din cilindri, partea mobilă se apropie sau se depărtează de partea fixă. În figura de mai sus partea mobilă a fuliei conducătoare (1) este depărtată de partea fixă (presiune scăzută în cilindrul de acționare), raza de înfășurare a curelei metalice fiind minimă. În același timp partea mobilă a fuliei conduse (2) este apropiată de partea fixă raza de înfășurare a curelei metalice fiind maximă. Apropierea și depărtarea părților mobile a celor două trebuie să se facă sincronizat și în sens opus. Când partea mobilă a fuliei conducătoare (1) se apropie de partea fixă partea mobilă a fuliei conduse (2) trebuie să se îndepărteze de partea fixă. În caz contrar, dacă cele două părți mobile se apropie de părțile fixe simultan, cureaua metalică se va rupe deoarece ambele raze de înfășurare pe fulii vor crește. Similar, dacă cele două părți mobile se îndepărtează de părțile fixe simultan, cureaua metalică va patina deoarece ambele raze de înfășurare pe fulii scade. Cuplul se transmite în variator prin frecare, cu ajutorul curelei metalice. Cureaua este compusa dintr-o serie de componente metalice trapezoidale care sunt grupate de mai multe benzi metalice. Frecare curelei cu cele două fulii se realizează pe pereții laterali ai componentelor metalice. Mișcare de la fulia conducătoare este transmisă la fulia condusă de curea, prin împingere (push-type belt).

Fig.1.2 - Cureaua metalică a unei t ransmisii cu variație continuă

6.2.Cutii de viteze automata cu reductor planetar si convertizor hidraulic Transmisia unui automobil mai are în componență, pe lângă cutia de viteze, un dispozitiv de cuplare (ambreiaj sau hidrotransformator) și un diferențial. Variația continuă a raportului de transmitere se face în cutia de viteze, numită și variator de turație.

Fig.1.3 - Schema cinematică a transmisiei cu variaț ie continuă CVT ZF CFT 23

A – hidrotrasformator 1. ambreiaj de blocare 2. turbină 3. pompă 4. stator / difuzor 5. pompă de ulei B – mecanism planetar 1. ambreiaj pentru mersul înainte 2. ambreiaj pentru mersul înapoi

C – variatorul de turație 1. 2. 3. 4. 5.

partea fixă a fuliei conduse partea mobilă a fuliei conduse curea metalică partea mobilă a fuliei conduse partea fixă a fuliei conduse

D – reductor intermediar 1. angrenaj intermediar 2. angrenaj diferențial E – diferențial Hidrotransformatorul (A) este compus dintr-o pompă (3) conectată la arbore cotit al motorului, oturbină (2), un stator (4) și o pompă de ulei (5). Mișcarea se transmite prin intermediul unui fluid de lucru (ulei de transmisie) care este antrenat de pompă, trecut prin stator și introdus în turbină care transmite mișcarea mai departe la mecanismul planetar. Ambreiajul de blocare (1) are rolul de a rigidiza pompa hidrotransformatorului de turbină crescînd randamentul acestuia. Mecanismul planetar (B) cu ajutorul celor două ambreiaje schimbă direcția de rotație a arborelui fuliei conducătoare. Când ambreiajul multidisc (1) este cuplat automobilul se deplasează înainte iar la cuplareaambreiajului multidisc (2), ambreiajul (1) fiind decuplat, fulia conducătoare se rotește în sens invers iar automobilul se deplasează înapoi. Variatorul de turație (C) modifică raportul de transmitere prin modificarea razei de înfășurare a curelei metalice (3) pe cele două fulii. Controlul razei de înfășurarea se face prin poziționarea părților mobile ale celor două fulii. Reductorul interme diar (D) amplifică cuplul de ieșire din variator și are raportul de transmitere de 1.593.Diferențialul (E) distribuie cuplul către cele două roți motoare și are raportul de transmitere de 2.72.

6.3.Avantaje/Dezavantaje Avantajele principale ale transmisiei cu variație continuă sunt modificarea continuă, fără șoc a raportului de trans mitere și posibilitatea de a varia viteza automobilului menținând constant punctul de funcționare al motorului. Cu toate acestea trans misiile cu variație continuă sunt apreciate mai mult pe piața asiatică de automobile (Japonia, Coreea de Sud, China) și mai puțin pe piața europeană, datorită percepției diferite a conducătorului auto asupra automobilului. La transmisiile cu variație continuă, în funcție de regimul de funcționare al motorului, turația motorului se menține constantă în timp ce viteza automobilului crește. Acest comportament nu este bine perceput de conducătorii obișnuiți cu cutii de viteze în trepte.

Marele dezavantaj al CVT- urilor este pierderea relativ mare de cuplu, din acest motiv fiind utilizate in special pe automobilele mai putin puternice. Recent, constructorii Toyota, Lexus si Ford si-au dotat unele modele hibride cu un nou model de CVT actionat electric sau E-CVT.

6.4.Constructori Ford Durashift CVT Caracteristicile tehnice ale transmisiei Durashift CVT de la Ford o o o o o o o o o o

cuplul maxim motor: 240 Nm la 3900 rot/min puterea maximă motor: 163 CP la 6000 rot/min gama de variație a turației motorului: 750 – 6500 rot/min cuplul maxim al hidrotransformatorului (de intrare în variator): 360 Nm raportul de transmitere minim al variatorului: 0.423 raportul de transmitere maxim al variatorului: 2.52 gama de variație a rapoartelor de transmitere: 6.0 raportul de demultiplicare al angrenajului intermediar: 1.593 raportul de demultiplicare al diferențialului: 2.72 masa totală: 82.5 kg

NISSAN

X T R O N IC C V T

Honda

7.Stratificarea amestecului Injecția indirectă (MPI, EFI, PFI) Introducerea sistemelor electronice pentru controlul injecției de combustibil, începând cu anii 1980, a făcut posibilă funcționarea motorului cu amestec stoichiometric, ceea ce a condus la utilizarea sondelor de oxigen și a catalizatorului pe trei căi. Comparativ cu sistemele de alimentare pe bază de carburație, injecția indirectă de combustibil are următoarele avantaje: 1. reduce emisiile poluante datorită posibilității utilizării senzorului de oxigen și a catalizatorului; 2. crește cuplul și puterea motorului datorită îmbunătățirii randamentului volumetric (umplere mai bună a cilindrilor cu amestec aer-carburant). Deficiența carburației relativ la randamentul volumetric se datorează utilizării unui tub Venturi; 3. reduce consumul de combustibil datorită amestecului stoichiometric și a egalizării cantității de combustibil injectate pentru fiecare cilindru; 4. răspunsul motorului la accelerații devine mai rapid datorită controlului mai precis al cantității de combustibil injectate;

Monopunct Foto: Sistem Sursa: Bosch 1. 2. 3. 4. 5. 6.

de

Multipunct alimentare

alimentare cu combustibil admisie aer obturator galeria de admisie injector (injectoare) bloc motor

cu

injecție

indirectă

-

scheme

de

principiu

Cu toate că injecția indirectă (în galeria de admisie, în dreptul supapei de admisie) are avantaje semnificative comparativ cu sistemul de alimentare cu carburator nu mai poate îndeplini cerințele actuale legate de emisiile poluante și de îmbunătățire a performanțelor dinamice. Injecția directă (GDI, FSI) Sistemele de injecție de benzină direct în cilindru au început să fie studiate și implementate pe automobile începând cu anii 1990. Avantajele acestui sistem comparativ cu injecția indirectă sunt numeroase: 1. eliminarea depunerii de benzină pe pereții galeriei de evacuare și pe supape. 2. îmbunătățirea controlului amestecului aer-combustibil. 3. reducerea pierderilor prin pompaj (aspirația aerului) în modul de funcționare cu amestec stratificat. 4. îmbunătățirea randamentului termic, în timpul funcționării cu amestec stratificat, datorită raportului de comprimare mai ridicat. 5. scăderea emisiilor de CO2 și a consumului de combustibil datorită posibilității funcționării cu amestec stratificat. 6. scăderea pierderilor prin căldură datorită funcționării cu amestec stratificat 7. încălzirea mai rapidă a catalizatorului prin divizarea și întârzierea injecției de combustibil în faza de evacuare. 8. pornire mai bună la rece datorită pulverizării mai bune a combustibilului. 9. răspuns mai bun la accelerații.

Foto: Sistem de alimentare cu injecție directă - scheme de principiu Sursa: Bosch. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

alimentare cu combustibil admisie aer obturator galeria de admisie injectoare bloc motor

Toate aceste avantaje plasează sistemele de injecție directă de benzină în fruntea clasamentului în ceea ce privește economia de combustibil și performanțele dinamice ale motoarelor. Evident aceste sisteme au și dezavantaje cum ar fi: costul crescut, complexitatea sistemului de control, necesitatea utilizării sistemelor de post-tratare a gazelor de evacuare (NOx). Cu toate acestea sistemele de injecție directă de benzină se vor impune și vor fi larg utilizate pentru echiparea motoarelor, deoarece reprezinta una din cele mai abordabile metode pentru îndeplinirea reglementarilor de emisii poluante și pentru creșterea performantelor dinamice.

Performanțele dinamice și emisiile poluante ale unui motor cu injecție directă Parametrii care au cea mai mare influenta asupra unui motor în ceea ce privește randamentul suntraportul de comprimare și raportul aer/combustibil (lambda). Prin mărirea raportului de comprimarese obține o putere sporită și o reducere a consumului de combustibil. Puterea sporită se datorează creșterii presiunii din cilindru la sfârșitul comprimării ceea ce impune o presiune mai mare pe cursa de destindere deci un cuplu mai mare. Motoarele cu injecție indirectă au un raport de comprimare în jur de 9...10. O valoare mai mare de 10 face ca fenomenele distructive ca detonația să fie prezente în locul arderii normale. În cazul injecției directe, în momentul injecției temperatura din cilindru scade deoarece o parte din căldura este absorbită de carburant pentru vaporizare. Astfel se elimina detonația care apare în principal datorită unei temperaturi foarte ridicate la sfârșitul cursei de comprimare. Motoarele cu injecție directă de benzină funcționează cu rapoarte de comprimare mai ridicate de 11...12. Cel mai mic consum de combustibil se obține atunci când amestecul aer-carburant este un pic mai sărac decât amestecul stoichiometric. Cu alte cuvinte trebuie să introducem în cilindru mai mult aer decât este necesar pentru a avea o ardere completă a benzinei. Unul din inconvenientele sistemelor de injecție indirectă, comparativ cu injecție directă, este modul de funcționare cu amestec stoichiometric, utilizarea amestecurilor sărace nefiind posibilă. În cazul motoarelor cu injecție directă se poate controla raportul aer-carburant din cilindru în sensul stratificării acestuia.

Foto: Cameră de ardere - Ecotec 2.0L I-4 DI Turbo Sursa: GM

Stratificarea înseamnă un amestec foarte bogat în jurul bujiei (pentru a facilita aprinderea) și foarte sărac în apropierea pistonului și a pereților cilindrului. Funcționarea cu amestec sărac în apropierea pistonului și a cilindrului creează o izolare termică a nucleului de ardere ceea ce reduce semnificativ transferul căldurii cătreblocul motor și pistoane. Astfel se obține o îmbunătățire a randamentului termic ce are ca efect scăderea consumului de combustibil.

Amestec stratificat vs amestec omogen Un sistem de injecție indirectă funcționează tot timpul cu amestec omogen, raportul aercombustibil fiind aproximativ același în interiorul cilindrului. Avantajul sistemelor de injecție directă este controlul jetului de combustibil astfel încât se poate obține un amestec stratificat. Amestecul stratificat se obține prin injectarea benzinei spre sfârșitul cursei de comprimare, jetul de combustibil fiind ghidat către bujie. Funcționarea în mod stratificat aduce o reducere a consumului de combustibil de la 15 la 20 % comparativ cu un motor cu injecție indirectă. În acest mod de funcționare obturatorul este folosit foarte puțin, doar pentru a permite funcționarea EGR- ului și pentru a crea vacuumul necesar sistemelor servo-asistate. Utilizarea într-o mai mică măsură a obturatorului face ca randamentul volumetric să crească, umplerea cilindrilor cu aer făcându-se mai bine. Dezavantajul acestui mod de funcționare, cu amestec stratificat, este necesitatea utilizării sistemelor de reutilizare a gazelor de evacuare pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot (NOx). Deoarece amestecul este sărac cantitatea de oxigen este în exces ceea ce conduce la emisii mai ridicate de NOx comparativ cu un motor cu injecție indirectă. Astfel, pentru motoarele cu injecție directă de benzină, care funcționează și cu amestec stratificat, este necesară utilizarea EGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot.

Amestec stratificat

Amestec omogen

Funcționarea în mod stratificat se face la turații scăzute și sarcini parțiale când nu sunt necesare accelerații intense ale motorului. Benzina este injectată cu puțin timp înainte ca pistonul să ajungă la sfârșitul cursei de comprimare astfel fiind posibilă reorientarea jetului în jurul bujiei pentru o aprindere facilă. La sarcini mari ale motorului funcționarea în mod stratificat poate conduce la emisii de particule deoarece amestecul aer-combustibil poate sa fie foarte bogat în jurul bujiei și sa nu ardă complet. De asemenea la turații mari ale motorului curgerea aerului în cilindrii este turbulentă ceea ce face imposibilă obținerea unui amestec stratificat.

Foto: Modurile de funcționare ale injecției directe de benzină Regimurile de funcționare cu turații ridicate sau sarcini mari (accelerații intense) impun funcționare cuamestec omogen. În acest mod de funcționare combustibilul este injectat în timpul cursei de admisie, turbulentele aerului din cilindru facilitând omogenizarea amestecului. În funcție de sarcina motorului amestecul omogen poate fi sărac (lambda > 1), stoichiometric (lambda = 1) sau bogat (lambda < 1) în cazul în care motorul este la sarcină totală (pedala de accelerație este apăsată 100%). Datorită omogenității amestecului emisiile de oxizi de azot sunt reduse și astfel nu mai este necesară funcționarea EGR-ului.

Foto: Injecția directă de benzină FSI 2.0 Audi Sursa: Audi Amestecul omogen sărac aduce avantajul unui consum redus de combustibil dar impune utilizarea EGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot. Acest mod face tranziția între amestecul stratificat și cel omogen. Pe măsură ce ne apropiem de modul de funcționare omogen (stoichiometric sau bogat) se utilizează modul de funcționare cu amestec omogen parțial stratificat. În acest mod de funcționare injecția este divizată. Prima injecție (principală), ce conține majoritatea cantității de combustibil, se realizează în timpul cursei de admisie obținându-se astfel un amestec omogen sărac în cilindru. Când pistonul se apropie de sfârșitul cursei de comprimare se face a doua injecție (secundară) care conduce la o stratificare a amestecului în zona bujiei. Acest mod de funcționare, prin divizarea injecției, conduce la reducerea emisiilor de particule și la un consum mai redus de combustibil. Injecția divizată este utilizată și pentru a grăbi încălzireacatalizatorului prin efectuarea injecției secundare pe cursa de evacuare ceea ce conduce la continuarea arderii pe galeria de evacuare.

Controlul jetului de combustibil Obținerea amestecului stratificat se face prin ghidarea jetului de combustibil injectat în cilindru astfel încât amestecul bogat sa fie prezent în dreptul bujiei pentru a facilita aprinderea. Ghidarea jetului spre bujie se face în principal prin trei metode: ghidarea cu peretele, ghidarea directă a jetului și ghidarea cu aerul.

Ghidarea cu peretele

Ghidarea cu aerul

Ghidarea directă

Foto: Injecția directă de benzină - modurile de ghidare a jetului de combustibil. Sursa: Bosch Ghidarea jetului cu peretele presupune transportul jetului de combustibil spre bujie utilizând suprafațapistonului. Combustibilul este injectat spre piston iar datorită mișcării acestuia la sfârșitul cursei de comprimare jetul este redirecționat spre bujie. Dezavantajul acestei metode constă în faptul că o parte din combustibilul injectat pe capul pistonului se depune, nu se evaporă total ceea ce are impact asupra creșterii consumului de combustibil și asupra emisiilor de hidrocarburi (HC) și a monoxidului de carbon (CO). Ghidarea jetului cu aerul (VW) utilizează pentru fiecare cilindru câte o paletă de redirecționare a aerului (montate în galeria de admisie) cu ajutorul căreia se controlează curentul de aer. Astfel jetul de combustibil injectat este purtat de către curenții de aer către bujie. Avantajul acestei metode se datorează izolării jetului de combustibil cu aer ceea ce se traduce în consum de combustibil și emisii mai mici.

Foto: Injector lateral (ghidare cu aerul a jetului) - Ecotec 2.0L I-4 DI Turbo Sursa: GM

Ghidarea directă a jetului (Mercedes, BMW) se obține prin plasarea injectorului în vecinătatea bujiei. Teoretic aceasta metoda este cea mai eficientă deoarece elimina fenomenul depunerii combustibilului pepiston sau pe pereții cilindrului. De asemenea acest mod de ghidare a jetului este mai puțin sensibil la fluctuațiile curenților de aer din cilindru. Dezavantajul este data de fiabilitatea mai redusă a bujiei datorită depunerilor de carbon, depuneri provenite din arderea incompletă a combustibilului.

Foto: Injector plasat central (ghidare directă a jetului) – BMW Sursa: BMW

Sistemul de alimentare cu combustibil pentru injecție directă Injecția directă de combustibil în cilindru necesită presiuni relativ ridicate, în jur de 40 – 130 bari. Comparativ, la un sistem de injecție indirectă presiunile se situează în jurul valorii de 4 bari. Presiunile mari sunt necesare pentru ca jetul de combustibil să aibă penetrația corespunzătoare în cilindru și pentru ca pulverizarea și evaporarea să fie cât mai eficiente. Cu toate acestea nu se poate crește mai mult presiunea de injecție pentru a avea o pulverizare și mai bună deoarece crește probabilitatea ca jetul să aibă o penetrație foarte mare și să atingă pereții cilindrului sau capul pistonului. În principiu un sistem de injecție directă de benzină este compus din: rezervor de combustibil, pompă electrică de joasa presiune, filtru de combustibil, pompă de înaltă presiune, rampă comună, regulator de presiune (electro-supapa), senzor de presiune, injectoare.

Foto: Componentele principale ale unui sistem de injecție directă de benzină Sursa: Bosch Combustibilul stocat în rezervor este scos de către pompa electrică la o presiune de 4 – 5 bari și trimis către pompa de înaltă presiune. Pompa de joasă presiune este localizată de obicei în rezervor sau în vecinătatea acestuia. Filtrul are rolul de a reține impuritățile din combustibil pentru a evita pătrunderea acestora în pompa de înaltă presiune, injectoare sau regulator.

Foto: Componentele sistemului de injecție directă de benzină Sursa: Bosch

Pompa de înaltă presiune este antrenată de arborele cu came și trimite combustibilul către rampă la o presiune de maxim 130 bari. Valoarea presiunii din rampa depinde de punctul de funcționare al motorului (turație și sarcină) și este controlată între 40 și 130 de bari cu ajutorul regulatorului de presiune. Informația presiunii din rampă este citită de calculatorul de injecție prin intermediul unui senzor de presiune. Injectorul este componenta centrală a sistemului de injecție. Acesta preia combustibilul din rampă și- l injectează în cilindru. Comanda injectoarelor este făcută de calculatorul de injecție care, în funcție de tipul amestecului și de punctul de funcționare al motorului, reglează momentul și durata deschiderii injectoarelor. Viitorul apropiat al sistemelor de propulsie pentru automobile cu carburant fosil aparține motoarelor pe benzină cu injecție directă. Datorită performanțelor acestora în ceea ce privește consumul și puterea motoarele pe benzină cu injecție directă încep să se apropie tot mai mult de motoarele diesel supraalimentate dar la un preț de cost mai mic. Mai mult, utilizarea supraalimentării împreună cu injecția directă va împinge performanțele motoarelor pe benzină la nivele la care un motor diesel va ajunge foarte greu și cu costuri semnificativ mai mari.

8.Sisteme de propulsie electrica Cu puține excepții un sistem electric de propulsie conține următoarele elemente: bateria (sursă de energie electrică), invertorul (unitatea de control a motorului electric), motorul electric și reductorul. Bateria este amplasată central pentru a echilibra distribuția maselor pe punți, ceea ce are un impact pozitiv asupra stabilității automobilului. Ansamblul invertor - motorul electric este dispus transversal pe puntea față legătura cu roțile fiind făcută prin intermediul unui reductor fix și a unui diferențial.

Foto: Componentele principale ale sistemului de propulsie Sursa: Nissan Randamentul maxim al sistemului de propulsie electric este de 95%. Media randamentului în cazul unei utilizări normale se ridică în jurul valorii de 90%. Din acest punct de vedere sistemele cu propulsie electrica sunt net superioare celor cu motoare cu ardere internă, unde randamentele se situează de multe ori sub 30%. Bateria Bateria Li- ion este compusă din mai multe module, fiecare modul conținând patru celule laminate. Celulele laminate au forme dreptunghiulare, plate, avantajul față de celulele clasice cilindrice fiind compactitatea, și dimensiunea redusă. Cele patru celule din fiecare modul sunt conectate câte două în paralele și apoi înseriate. Pachetul de baterii conține 48 de module, un calculator de monitorizare și control, o cutie de siguranțe și un întrerupător de service.

Foto: Baterie Nissan Leaf (celulă, modul, pachet baterii) Sursa: Nissan Un alt avantaj al celulelor laminate este radiația termică emisă ce permite răcirea acestora cu flux de aer. De asemenea forma compactă a pachetului de baterii a permis montarea acestuia între punți (cu efect asupra echilibrării maselor) și utilizarea fluxului de aer de sub automobil pentru răcire. Motorul şi reductorul Propulsia automobilului este asigurată de un motor electric sincron, cu magneți permanenți. Motorul este proiectat și fabricat de Nissan special pentr u a echipa modelul Leaf. Compact, eficient, cu o putere specifică ridicată, motorul are un răspuns rapid la accelerații.

Foto: Nissan Leaf - motorul electric Sursa: Nissan Cuplu maxim este de 280 Nm între 0 și 2730 rot/min iar puterea maximă de 109 CP este ținută constantă între 2730 și 9800 rot/min. Turația maximă a motorului este limitată la valoarea de 10390 rot/min. Reductorul, care are rol de cutie de viteze cu o singură treaptă, a fost special proiectat pentru a reduce pierderile prin frecare. De asemenea pentru lubrifiere este utilizat un ulei cu vâscozitate scăzută pentru a minimiza pierderile prin frecare.

Invertorul Rolul principal al invertorului este de a controla cuplul motorului electric. Acesta este alimentat cu curent continuu de la baterie pe care-l transforma în curent alternativ pentru

alimentarea motorului electric. Invertorul comunică cu restul de calculatoare de pe automobil utilizând protocolul de comunicație CAN.

Foto: Nissan Leaf – invertorul Sursa: Nissan Datorită funcționării invertorului cu curenți electrici mari temperatura poate atinge valori de până la 340 °C. Pentru a menține temperatura invertorului la o valoare nominală de 65 °C acesta este răcit cu lichid. Controlul vibraţiilor Capacitatea motoarelor electrice de a furniza cuplul maxim de la turație zero poate fi și un dezavantaj major în anumite cazuri. Când conducătorul automobilului cere cuplul motor maxim, prin apăsarea completă a pedalei de accelerație, fără un control precis al cuplului, în transmisie (reductor + diferențial) pot apărea vibrații torsionale ce au un efect negativ asupra confortului pasagerilor și a fiabilității componentelor. Sistemul de încărcare al bateriilor Bateriile pot fi încărcate 80% din capacitatea nominală în aproximativ 30 de minute utilizând o sursă de curent continuu de 50kW. Durata încărcării complete (100%), de la o priză normală de 200V, este estimată la aproximativ 8 ore.

Foto: Nissan Leaf – sistemul de încărcare al bateriilor Sursa: Nissan La încărcării bateriilor de la o sursa convenționala de alimentare (200 – 240 V), de curent alternativ, curentul electric este trecut print- un convertor electric care-l transformă în curent continuu. Pentru a elimina căldura rezultată în urma transformării CA-CC convertorul este răcit cu apă. Recuperarea energie de frânare În cazul unui automobil convențional, cu motor termic, energia cinetică acumulată în timpul deplasării este redusă de sistemul de frânare prin frecare și transformată în căldură, care ulterior este disipată în mediul exterior. Pentru automobilele electrice acestă energie cinetică (mecanică) este transformată în energie electrică și stocată în baterii pentru o utilizare ulterioară. Posibilitatea transformării din energie mecanică în energie electrică se datorează motorului electric care trece în regim de generator. În acest mod de funcționare inerția automobilului este utilizată pentru a roti generatorul electric care produce energie. Calculatorul de control al sistemului de frânare comunică cu calculatorul de control al vehiculului (VCM) prin protocolului CAN și ajustează puterea de frânare a generatorului electric, în funcție de poziția pedalei de frână. Recuperarea energie de frânare și implicit trecerea motorului electric în regim de generator electric are loc atunci când conducătorul auto acționează pedala de frână. Peste un anumit nivel de apăsare al pedalei de frână, sistemul de frânare hidraulic este activat, deoarece cererea de forța de frânare este mai mare. De reținut ca tot acest proces nu este ses izat de către conducătorul auto, totul se petrece ca și cum frânarea s-ar face doar cu un sistem clasic hidraulic. Prin acest sistem de recuperare a energie de frânare s-a reușit extinderea autonomiei automobilului cu până la 25%.

Sistemul ICT (Information and Communication Technology) Posesorii de Nissan Leaf se pot conecta prin intermediul sistemului ICT la baza de date CARWINGS în orice moment. Conexiunea este realizată utilizând unitatea de control telematică (TCU) a sistemului de navigare aflat la bordul automobilului. Conectarea cu baza de date oferă conducătorului auto informații precum: starea bateriilor, starea tehnică generală a automobilului și o statistică a condițiilor de exploatare a automobilului (sarcină motor, viteză, etc.). Serviciile aflate la bordul automobilului, prin intermediul ecranului multimedia, informează conducătorul auto cu privire la: o o o o

Autonomie: prin intermediul unei hărți digitale se conturează în jurul coordonatelor curente ale automobilului aria de acoperire maximă în funcție de starea de încărcare a bateriei; Locația stațiilor de încărcare rapidă (vizualizare pe harta digitală) Temporizatorul de încărcare: permite vizualizarea timpilor de încărcare memorați (programarea începerii încărcării bateriilor și durata de încărcare) Descărcarea bateriei: când nivelul de încărcare al bateriei ajunge la o valoare minimă pe lângă atenționarea sonoră și vizuală a conducătorului, pe harta digitală se afișează cea mai apropiată stație de încărcare.