masini proiectare

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 1

LUCRAREA NR.1

PRINCIPIILE DE FUNCIONARE A M.A.I.

FORMAREA AMESTECULUI N M.A.S.

APRINDEREA AMESTECULUI N M.A.S.

1.GENERALITI.

Motorul cu ardere intern cu piston (MA) este cel mai utilizat ca main

principal sau auxiliar n sistemele de propulsie navale actuale. Acesta se

ncadreaz n categoria motoarelor termice care pot fi definite astfel:

DEF.1: Motorul termic este agregatul care transform energia chimic a unui

combustibil n lucru mecanic prin intermediul evoluiilor unui fluid numit de lucru

sau motor.

Definiia anterioara descrie la modul general principiul de funcionare.

Trebuie menionat faptul c eliberarea energiei chimice a combustibilului se

realizeaz printr-o reacie de oxidare (sau proces de ardere), reacie ce are un

caracter exoterm. Arderea presupune realizarea n prealabil a unui amestec

combustibil-aer i crearea unor condiii de presiune i temperatur capabile s

iniieze arderea.

Ca atare, la finele reaciei de oxidare produsele arderii vor nmagazina

caldura eliberata, fapt ce se manifesta printr-un nivel valoric ridicat al presiunii i

temperaturii, lund drept referina starea n care s-a iniiat arderea. Aceast cldur

este transformat n lucru mecanic de catre organele mobile ale motorului termic.

DEF.2: MAI este motorul termic al crui fluid motor este reprezentat de produsele

arderii, iar evoluiile acestuia se realizeaz prin intermediul unui perete mobil

numit-piston, a crui micare rectilinie alternativ n interiorul unui cilindru este

transformat n micare de rotaie de ctre mecanismul biel manivel.

Definiia 2 ne indica graniele sistemului n care evolueaz fluidul i faptul

c acesta este reprezentat chiar de ctre produsele arderii. Din cele doua definiii se

deduce c obinerea lucrului mecanic presupune parcurgerea urmatoarei succesiuni

de procese:

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 2

-proces de admisie(realizeaz umperea cu ncarcatur proaspat a

cilindrului);

-proces de comprimare(creeaz condiiile de presiune i temperatur

necesar iniierii arderii);

-proces de ardere(transform energia chimic a combustibilului n cldur);

-proces de destindere(transform cldura n lucru mecanic);

-proces de evacuare(realizeaz golirea cilindrului de produsele arderii).

Succesiunea de procese, anterior menionat, reprezint un ciclu motor.

Ciclul motor poate fi realizat pe durata a dou rotaii ale manivelei i avem un MA

n patru timpi (MA4T) sau pe durata unei singure rotaii ale manivelei i avem un

MA n doi timpi (MA2T).

De asemenea, ncarcatura proaspat poate fi reprezentat de aer sau de un

amestec combustibil-aer (amestec carburant). n prima variant, combustibilul va fi

introdus n cilindru prin injecie la sfritul procesului de comprimare, formarea

amestecului carburant demarnd imediat dupa injectie. Odat format amestecul el

se autoaprinde, motorul fiind numit cu aprindere prin comprimare(MAC).

n cea a doua variant, amestecul carburant este format n exteriorul

cilindrului, iar aprinderea sa este realizat prin intermediul unei scantei produse de

o bujie. Motorul se numete cu aprindere prin scanteie (MAS).

O alta observaie care se impune este cea legata de modul n care se

realizeaz admisia: ntr-un prim caz ea poate fi realizat n mod natural i avem

MA cu aprindere(sau aspiraie) naturala (MA AN) ori ntr-un al doilea caz ea se

realizeaz forat cu o suflant i obinem MA cu admisie forata (sau

supraalimentate) (MA SA sau MA AF).

2. PRINCIPIILE DE FUNCIONARE A M.A.I.

Aceste principii pot fi descrise cu ajutorul diagramei p-v, care vizualizeaz

variaia presiunii fluidului motor n interiorul cilindrului pe durata unui ciclu

motor. n domeniul naval se utilizeaz att MA4T ct si MA2T, nsa n general

pe tipul MAC SA i mai rar MAS. MAS-urile, utilizate de obicei pentru navigaie

pe fluviu, sunt MA4T.

Ca atare, n figurile 1,2,3 sunt prezentate diagramele p-v asociate MA4T

AN,MA4T SA, MA2T SA.

a). MAI 4T AN

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 3

Este numit motor n 4 timpi pe durata celor dou rotaii pistonul execut

patru curse:

Cursa de admisie (pmi ctre pme,r-a)

Pistonul pornese din PMI, moment n care SA este deschis. Deplasarea pistonului

conduce la marirea volumului ocupat de fluidul motor i deci la scderea presiunii

sub cea atmosferic p0.

Acest gradient (diferena) de presiune pune n micare,ctre interiorul

cilindrului, o coloana de aer prin galeria de admisie, nvingnd ineria acesteia. Ca

atare, putem spune ca admisia se desfoar de la sine n mod natural sau normal.

Odata ajuns pistonul n PME nu se va nchide supapa de admisie SA deoarece

aerul se mica accelerat i ineria sa i permite s patrund n cilindru chiar i dup

ce pistonul ncele cursa urmatoare. SA se va nchide cu ntrziere fa de PME. n

concluzie, procesul de admisie nu coincide ca durat cu cursa de admisie, fiind mai

lung dect aceasta din urma.

Cursa de comprimare (pme ctre pmi,a-c)

Prima fraciune din cursa de comprimare este reprezentata de finalul

procesului de admisie. nchiderea SA are loc n punctul SA cnd presiunea din

cilindru este aproximativ egal cu cea din atmosfer. n momentu SA al nchiderii

SA ncepe procesul de comprimare care se termin n punctul i. n momentul i este

injectat combustibilul i ncepe formarea amestecului n cazul MAC-ului sau este

produs scnteia de ctre bujie(caz MAS). Punctul i marcheaz nceputul arderii,

deoarece tot acum sunt iniiate primele reacii de oxidare, adic este iniiat

arderea. Deci, cursa de comprimare are o durat mai mare dect procesul de

comprimare. Pe intervalul i-c rmas din cursa de comprimare se iniiaz i ncepe

procesul de ardere.

Cursa de destindere(pmi catre pme,c-b)

Prima fraciune din cursa de destindere este reprezentat de finalul

procesului de ardere, pe durata cruia s-a nregistrat o cretere foarte important a

presiuni ca urmare a degajrii de cldur. Deci, procesul de ardere are o durat mai

mic dect o cursa i se desfoar n vecintatea PM.

Pe intervalul z(SFA)-DSE are loc procesul de destindere, care la fel este mai

scurt ca durat dect cursa de destindere. Deschiderea SE n punctul DSE, cu avans

fa de PME, prezint avantajul c presiunea din cilindru este mai mare dect cea

din mediul ambiant, drept care gradientul de presiune asigur evacuarea rapid a

celei mai mari pri din produsele arderii. n punctual b(piston la PME) presiunea

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 4

n cilindru este nc superioar celei atmosferice. Totui cu avans fa de PM se

deschide SA n punctul DSA. Acest lucru este necesar pentru c SA trebuie s

ofere o seciune de curgere, de arie relativ mare, n momentul n care ncrctura

proaspt are condiiile de presiune necesar umplerii cilindrului. Pe durata DSA-r

seciunea de curgere are o arie relativ mic i eventualele curgeri din cilindru n

colectorul de admisie sunt nesemnificative.

Cursa de evacuare (pme catre pmi, b-r)

Pe durata ntregi curse de evacuare pistonul golete cilindrul, adic procesul

de evacuare continua i deci acesta din urma are o durata mai mare dect a cursei.

SE nu este nchis n PM deoarece presiunea n cilindru este nca superioar celei

atmosferice, astfel gradientul de presiune permite evacuarea n continuare a

produselor arderii. nchiderea SE are loc cu ntrziere fa de PM n punctul SE

cnd presiunea n cilindru a sczul la valoarea presiunii atmosferice.

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 5

Fig.1. MAI4T AN

b). MAI 4T SA ( sau MAI 4T AF)

Principiul este asemntor celui anterior prezentat, singura diferen fiind

data de diagrama de pompaj (este poriunea din diagrama p-v aferent curselor de

admisie si evacuare). Astfel la MA4T SA presiunea pe timpul cursei de admisie

este mai mare dect cea din timpul cursei de evacuare i ambele sunt mai mici

dect presiunea ps a ncrcturi proaspete livrat de suflant. Deci, la acest tip de

motor aerul va patrunde n cilindru imediat dup DSA, ajutnd astfel la dislocarea

i evacuarea produselor arderii. La fel ca i la MA4T AN exist o perioad n care

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 6

ambele supape sunt deschise, cnd evacuarea i admisia se desfoar simultan.

Acest proces se numete baleiaj. n cazul MA4T AN acesta este nedorit deoarece

la nceputul su presiunea produselor arderii este superioar celei atmosferice i

deci i celei a ncrcturii proaspete. nsa la MA4T SA raportul de presiune

anterior menionat este inversat din punct de vedere valoric i ca atare procesul de

baleiaj este nedorit. ntr-adevt durata perioadei n care supapele sut deschise

simultan este de cel puin dou ori mai mare n cazul MA4T SA dect cel al

MA4T AN.

Fig.2. MAI4T SA

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 7

c). MAI 2T

Este numit motor n 2 timpi deoarece ciclul motor este realizat pe durata

unei rotaii, timp n care pistonul execut dou curse. Se constat astfel c au fost

suprimate dou curse, evident acestea fiind cea de admisie, resperctiv cea de

evacuare. Celelalte curse nu pot fi eliminate deoarece comprimarea asigur

condiiile necesare aprinderii amestecului combustibil-aer, iar cea de destindere

este singura generatoare de lucru mecanic.

Procesul de admisie i evacuare se desfsoar pe parcursul unor fraciuni din

cursele de comprimare si destindere. Astfel vom avea:

Cursa de comprimare(pmi catre pms,b-c)

Pe durata acestei curse se desfsoar urmatoarele procese:

-proces de admisie(o fraciune) i proces de evacuare(o fraciune):b-IFB;

-proces de evacuare(o fraciune):FB-FE;

-proces de comprimare:FE-I;

-proces de ardere(o fraciune):i-c.

Cursa de destindere(pms ctre pme, c-b)

Pe durata acestei curse se desfsoar urmatoarele procese:

-proces de ardere(o fraciune):c-z(SFA);

-proces de destindere:z-DFE;

-proces de evacuare(o fraciune):DFE-DFB;

-proces de evacuare(o fraciune) i proces de admisie(o fraciune):DFB-b.

n aceste condiii prezentm principiul de funcionare din momentul ncheierii

procesului de destindere n punctul DFE de deschidere a FE. n acest moment

presiunea produselor arderii din cilindru este superioar celei din mediul ambiant,

astfel c gradientul de presiune asigur evacuarea liber i rapid a celei mai mari

pari din masa de produse existente.

n momentul DFB al deschiderii FB presiunea n cilindru a sczut sub

valoarea presiunii ncrcturii proaspete livrat de suflant, nsa aceste presiuni

sunt comparabile ca ordin de mrime. Ca atare, ncarcatura va patrunde linitit n

cilindru, cu viteze relativ mici,fiind orientate n lungul peretelui adiacent FB, n

sens ascendent. Deci, ncarcatura proaspt asigur dislocarea i evacuarea

produselor arderii. Dei dup DFB ncrctura proaspt n cilindru ea nu poate

stopa scderea continua a presiunii n cilindru, fenomen ce se manifest pn la

sfritul cursei de destindere, n PM. Odat cu nceperea cursei de comprimare, se

simte influena umplerii pariale a cilindrului cu ncrctur proaspt prin

creterea presiunii. n momentul FB al nchiderii FB se ncheie procesul de

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 8

admisie. Costatm c pe intervalul DFB-b-FB procesele de admisie i evacuare se

desfsoar simultan, adic avem un proces de baleiaj. Spre deosebire de cazul

MA4T unde prezena lui nu afecteaza ntr-un mod important schimbul de gaze,

deoarece exist cursele de admisie i evacuare, la MA2T el are o influen

deosebit asupra modului n care se face umplerea cilindrului.

Fraciunea din cursa de comprimare FB-FE este un proces de evacuare a

ncrcturii proaspete numit i postevacuare. Din momentul FE incepe procesul

de comprimare care se sfrete n i cnd are loc injecia de combustibil sau

declanarea scnteii electrice a bujiei.

Ultima fraciune din cursa de comprimare este reprezentat de faza initial a

procesului de ardere ce continua i dupa PM, n prima parte a cursei de destindere.

Fraciunea z(SFA)-DFE este reprezentat de procesul de destindere.

n concluzie, putem afirma c oricare proces are o durat mai mica dect cea a unei

curse.

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 9

Fig.3. MAI2T SA

3. FORMAREA AMESTECULUI N M.A.S.

Amestecul combustibil-aer este format n exteriorul cilindrului la MAS.

Formarea presupune asigurarea unui dozaj optim aer-combustibil i vaporizarea

acestuia din urm pentru omogenizare. La MAS acest lucru este realizat n

carburator, element plasat pe traseul de admisie. Elementele componente ale

acestuia sunt prezentate n fig. 4:1-camer de nivel constant,2-camer de

amestec,3-difuzor,4-jiclor,5-clapet de admisie,6-colector admisie,7-ac plutitor,8-

plutitor,9-orificiu de legtur cu atmosfera,10-racord.

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 10

n timpul cursei de admisie umperea cilindrului se poate realiza natural sau

forat. Deci pe traseul de admisie se afl n micare o coloana de aer. La trecerea

prin difuzorul 3 viteza coloanei de aer va crete, iar presiunea va scade astfel c

prin jiclorul 4 combustibilul din camera 1 este pulverizat i vaporizat n curentul de

aer. n camera 2 are loc omogenizarea amestecului care va fi aspirat n cilindru.

Clapeta 5 are rolul de a regala cantitatea de amestec aspirat prin controlarea

seciunii de trecere oferit curgerii amestecului format.

Fig.4. Formarea amestecului n MAS.

4. APRINDEREA AMESTECULUI N M.A.S.

Amestecul aer-combustibil introdus n cilindrii unui MAS este oxidat n

urma unui proces iniiat de scnteia electric produs de o bujie. n fig. 5 este

schematizat sistemul de aprindere a amestecului ntr-un MAS cu patru cilindri,

sistem compus din urmatoarele repere: 1-contactul central al distribuitorului; 2-

contacte(ploturi); 3-rotor; 4-nfurarea secundar a bobinei de inducie; 5-

nfurarea primar a bobinei de inducie; 6-masa; 7-contact mobil; 8-contact fix;

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 11

9-condensator; 10-cam cu patru umeri; 11-bujii; 12-distribuitor; 13-ruptor; 14-

bateria i magnetoul; 15-arc.

n principiu, bateria i magnetoul asigur alimentarea lui 5 (vezi fig.5,a.).

Att timp ct cama 10 nu deschide contactul dintre 7 i 8 circuitul se nchide i 5

este strbtut de un curent, genernd un cmp magnetic cu proprietai constante.

n momentul cand cama 10 deschide contactul dintre 7 si 8, nvingnd fora

elastic a arcului 15, n circuitul primar apare o variaie a curentului deci i a

cmpului magnetic asociat. Drept urmare se induce n 4 o tensiune electromotoare

(TEM) de mii de voli. Aceast TEM colectat prin contactul 1i aplicat de rotorul

3, aflat acum n contact cu 2, uneia dintre bujii. Rezultatul este producerea scnteii

electrice.

Menionam c 10 are ataia umeri cai cilindri are motorul, pentru a fi

capabil s deschid cantactul dinte 7 i 8 astfel ncat s poat iniia scnteia la

nivelul fiecrui cilindru. De asemenea, 5 are un numar mic de spire de seciune

relativ mare, pe cnd 4 are un numr mult mai mare de spire, dar de seciune

redus. Rezultatul este c n 4 va fi indus o tensiune de mii de voli, pe cnd n 5

avem cateva sute de voli.

Lucrarea de laborator nr. 1 PCSMAI

Page 12

Fig.5. Aprinderea n MAS.

n concluzie, ruptorul asigur variaia intensitii curentului n circuitul

primar astfel nct se poate induce n circuitul 4 secundar TEM capabil de a

produce scnteia. Scnteia apare pe acea bujie pentru care distribuitorul nchide

contactul 2, de unde i numele reperului 12. Referitor la bobina de inducie aceasta

se comporta ca un transformator de tensiune.