Raport de Cercetare
Grant: Autoturism echipat cu motor cu raport de comprimare variabil (VCR)
Autor: CLENCI ADRIAN CONSTANTIN
Universitatea: UNIVERSITATEA din PITESTI
1. Consideratii generale (formularea problemei si relevanta temei)
În lumina noilor progrese în domeniul propulsiei electrice, motorul cu ardere interna trebuie sa faca fata si acestei noi provocari. De aceea, în ultimii ani s-au înregistrat eforturi sustinute în domeniul motoarelor cu ardere interna destinate propulsiei rutiere, astfel ca au aparut o multitudine de solutii tehnice radicale, al caror scop este acela de a renunta la cauzele ineficientei motoarelor, cauze ce au fost considerate ca inevitabile în decursul acestui secol de industrializare a motoarelor cu ardere interna.
Comprimarea variabila reprezinta, în viziunea echipei, urmatorul pas în evolutia motoarelor cu ardere interna destinate propulsiei rutiere, etapa considerata ca una de tranzitie între stadiul actual, al motoarelor cu ardere interna si cel urmator, al pilelor de combustie.
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 ( p). Datorita valorii fixe (invariabile în timpul functionarii) a raportului geometric de comprimare ( v), 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 ( v) cu scaderea nivelului de sarcina, în acest mod gradul sau raportul real de comprimare al gazelor ( p) 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.
2. Studiul stadiului actual al cercetarilor si realizarilor în domeniul motoarelor cu raport de comprimare variabil
Efectul de încalzire globala a adaugat pe lista emisiilor reglementate si bioxidul de carbon, care pâna de curând era considerat inofensiv si nu era reglementat. Emisiile de CO2 depind direct de cantitatea de combustibil ars, deci motoarele ecologice ale viitorului vor trebui să aibă, în primul rînd, consum mic de combustibil.
Din aceasta perspectiva, s-a încercat, mai întâi, o analiza amanuntita a dezavantajelor fundamentale ale motorului cu aprindere prin scânteie, analiza ce a permis nuantarea notiunii de raport de comprimare. Astfel, aceasta notiune trebuie înteleasa într-un sens mai larg, asa încât sa fie posibila distinctia între marimile geometrice si reale care definesc gradul de comprimare, acesta din urma privit ca o notiune generica ce caracterizeaza procesul de comprimare.
Nuantarea notiunii de raport de
comprimare fiind facuta, s-a putut continua cu analiza solutiilor
de variatie a raportului de comprimare. Desigur, se poate modifica, fie
raportul geometric de comprimare ( v), fie raportul efectiv de comprimare (
), fie se
pot modifica ambele marimi.
Pentru analiza stadiului actual în domeniul motoarelor cu raport de comprimare variabil, s-a consultat literatura de specialitate (carti, reviste, articole, site-uri Web etc) si s-a realizat o sinteza reprezentativa a principiilor de modificare a raportului de comprimare. S-au retinut peste 20 de solutii (Pouliot, Crist, Hara Pitesti, Saab Variable Compression, Larsen, CFR, VW, PSA-Froumajou, BICERA, Extremely Economic Engine - Kragujevac Serbia, Ford-FEV's Crankdrive Control Epsilon, MayFlower e3, Multi Cycle Engine, motorul cu cilindrii cuplati - principiul A, Giurca Craiova, Gomec Variable Compression etc), analizate critic, cu specificarea avantajelor si dezavantajelor.
În ceea ce priveste principiile folosite pentru variatia raportului geometric de comprimare ( v), s-a realizat clasificarea lor în cinci grupe, dupa cum este partial ilustrat în figura 1:
constructii cu posibilitati de miscare relativa între chiulasa si carterul inferior, considerat fix (pozitia 1);
constructii cu parti mobile la nivelul chiulasei sau la nivelul pistonului (pozitiile 2 si 3);
constructii cu piese suplimentare introduse în lantul cinematic piston-biela-manivela (pozitiile 4, 5, 6, 7 si 8);
constructii de motoare cu cilindri cuplati;
alte constructii.
În continuare, s-a dorit prezentarea pe scurt numai a doua solutii din cadrul primei categorii. Ambele ilustreaza conceptul motorului articulat, pentru care - se pare - exista un interes aparte.
În figura 2, a si b sunt prezentate solutiile brevetate de prof. dr. ing. V. Hara. Se mentioneaza, aici, ca solutia din figura 2, a face obiectul acestui contract de cercetare fiind în posesia echipei la stadiul de motor partial asamblat. În figura 3, a si b este prezentata solutia Saab Variable Compression.
În ceea ce priveste modul de reglare al v, avem în cazul solutiei Hara, un sistem cu reglare intrinseca, deci un sistem autoreglabil, iar în cazul solutiei SVC, un sistem automat cu reactie în bucla închisa. Principiul de lucru, în ceea ce priveste modificare v consta în articularea partii superioare, astfel ca orice basculare a acesteia va determina adaugarea unui volum din cilindru la volumul camerei de ardere din chiulasa, determinând reducerea v. Volumul camerei de ardere din chiulasa este astfel dimensionat încât sa determine functionare cu v_max la mersul în gol. Revenind la modul de reglare al v, în cazul solutiei Hara, marimea ce comanda modificarea v este chiar nivelul de presiune din cilindru (i.e. pmi), iar mai departe, reglarea sistemului se face prin intermediul unui ansamblu balansier-arcuri elicoidale. În ceea ce priveste solutia SVC, decizia de modificare a v este luata de o unitate electronica de comanda, pe baza analizei semnalelor provenite de la diversi traductori. Mai departe, prin intermediul unui sistem complex actuator hidraulic - mecanism cu excentric tip biela-manivela, are loc bascularea partii superioare, deci reducerea εv.
Relativ la cele doua concepte prezentate în figurile 2 si 3, trebuie remarcata pozitia articulatiei pentru fiecare din cele doua solutii; asupra acesteia membrii echipei si-au concentrat atentia pentru a obtine reducerea efectelor secundare induse de bascularea partii superioare (v. § 3).
Tot din aceasta perspectiva se observa si dorinta acestora de a pastra cât mai multe componente conventionale în constructia motoarelor cu raport geometric de comprimare variabil.
În plus,
desi nu face obiectul acestui contract, studiul stadiului actual a permis
si stabilirea unui numitor comun al solutiilor de variatie a v. Este
vorba despre combinarea comprimarii variabile cu supraalimentarea,
stiuta fiind complementaritatea celor doua sisteme. Asadar,
efectele favorabile ale
comprimarii variabile trebuie maximizate astfel încât sa fie
compensate complicatiile constructive impuse de 
prezenta sistemului de variatie a v De asemenea, se observa si o
tendinta de a combina comprimarea variabila cu o destindere de
intensitate variabila, prin intermediul tehnologiei Miller/Atkinson.
În esenta, nu se considera suficienta aplicarea numai a comprimarii variabile în încercarea de a obtine motoare din ce în ce mai eficiente, fiind asadar imperios necesara combinarea acesteia si cu alte concepte (turbosupraalimentarea, obtinându-se astfel valori ridicate ale factorului de downsizing, distributia variabila etc).
3. Studiul conceptului de motor articulat cu raport de comprimare variabil
- minimizarea unghiului de basculare, (figura 4);
- minimizarea unghiului suplimentar de înclinare a pistonului, (figura 5);
- maximizarea momentului de basculare, Mb = M01 (figura 4).
timpul în care motorul răspunde la modificarea conditiilor de functionare si determina modificarea valorii v), cele mai mici valori pentru acesta trebuie realizate în urmatoarea situatie extrema: motorul cuplat la transmisie, functionând în zona de cuplu maxim, suportă succesiunea aproape instantanee închidere bruscă - deschidere, de asemenea, bruscă a clapetei obturator. La închiderea bruscă a clapetei de acceleratie, raportul geometric de comprimare trebuie să crească rapid de la valoarea minimă, corespunzatoare cuplului maxim, la valoarea maximă, corespunzătoare noului regim de functionare (mers în gol fortat), astfel eventualele cicluri fără aprindere fiind evitate si, deci, emisia de produsi poluanti fiind, de asemenea, mult diminuată. În continuare, la deschiderea bruscă a clapetei se stabileste, practic instantaneu, regimul de functionare corespunzător cuplului maxim al motorului, deoarece motorul, fiind cuplat la transmisie, si-a mentinut turatia. În consecintă, pentru evitarea fenomenului de ardere anormală cu detonatie, raportul geometric de comprimare trebuie să revină, de asemenea, instantaneu la valoarea minimă.
Pentru aceasta, s-a studiat timpul de deplasare a masei reduse mred pe distanta xA (figura 4), mai întâi în sensul comprimării arcurilor sub actiunea fortei reduse ce corespunde cuplului constant maxim pe carterul superior, iar apoi în sensul revenirii masei reduse pe distanta xA, sub actiunea fortei arcurilor la care se opune forta ce corespunde situatiei de mers în gol.
0,019 s, ceea ce în conditiile unei turatii de 3000 rpm reprezinta aproximativ perioada unei rotatii complete. Astfel, se poate considera ca răspunsul sistemului de autoreglare a raportului geometric de comprimare este suficient de rapid pentru evitarea fenomenului de ardere anormală cu detonatie, cu consecinte favorabile asupra economicitătii, durabilitătii si calitatilor antipoluante ale motorului.
m în zona palierului median) - figura 7.
Dintre efectele secundare
induse de bascularea carterului superior, mentionam:
- efectul de distributie variabila prin miscarea relativa dintre arborele cotit si arborele cu came (fig. 8, 9)
-
unghiul suplimentar de înclinare al pistonului, cu efecte asupra componentei
normale, deci asupra fenomenului de uzura în cupla piston-cilindru (figura
5);
- variatia cotei de strivire a încarcaturii proaspete la sfârsitul cursei de comprimare, cu efecte asupra variatiei vitezei radiale de squish, deci asupra fenomenului de propagare a flacarii (figura 10);
Legat de primul efect secundar indus, se mentioneaza ca acesta ar fi mult diminuat daca s-ar opta pentru metoda de antrenare a arborelui cu came, ce implica un pinion suplimentar montat în articulatia O1.
De asemenea, utilizarea unei camere de ardere semisferice, fara praguri de squish, generalizata în productia de serie a motoarelor moderne, n-ar mai impune luarea în consideratie si a miscarii radiale. Aici se mentioneaza ca echipa a efectuat deja o perfectionare a brevetului RO111863B, fiind in curs de realizare a formalitatilor de depunere a unei cereri de brevet european, în colaborare cu partenerii francezi de la CNAM Paris (Conservatoire National des Arts et Métiers).
plecând de la existenta unui prototip de motor articulat cu raport de comprimare variabil, studiul prezentat la acest punct - constituit ca un studiu de caz - a permis tratarea si fundamentarea problematicii specifice acestui concept de motor.
4. Proiectarea si realizarea unor repere specifice pentru obtinerea ansamblului final motor articulat cu raport de comprimare variabil
S-au proiectat si realizat urmatoarele repere: pinioane distributie cu 16, respectiv 32 dinti (s-a stabilit si o alta punere la punct a distributiei); bolturi articulatii si solutii de asigurare contra deplasarii axiale; distantier pompa ulei; suporti de reazem ai motorului pe caroseria Dacia 1310; piesa intermediara de tip cuplaj între arbore cotit si volant; suruburi volant; baie ulei etc.
În figurile 12 si 13 sunt prezentate câteva fotografii ce ilustreaza modul de asamblare al motorului.
|
|
Articulatia dintre cele doua cartere |
|
|
|
|
|
Sistemul de reglare cu pârghii si arcuri |
|||
Fig. 12 |
|||
|
|
|
||
|
Rezemarea motorului pe caroserie (Dacia 1310) (prin intermediul unor traverse montate pe carterul inferior) |
|||
|
|
|||
Fig. 13 |
|||
5. Determinari experimentale pe standul motor pentru evidentierea aspectelor caracteristice ce deriva din functionarea cu v ridicat pe sarcini partiale
Pentru evidentierea parametrilor ce trebuie ajustati în situatia functionarii motorului articulat cu v variabil ( s etc.), tinând cont ca acesta are la baza motorul standard 810-99, în primul an de finantare, echipa a simulat experimental functionarea motorului cu comprimare variabila prin abordarea pe standul motor a câtorva regimuri stabilizate, utilizând un motor standard, echipat succesiv cu chiulase corespunzatoare unor valori diferite pentru raportul geometric de comprimare :
v
Pentru aceasta, standul de încercari motoare al Universitatii din Pitesti a fost instrumentat dupa cum este ilustrat în figura 14. Se mentioneaza aici colaborarea ce exista între Universitatea din Pitesti, reprezentata prin echipa contractului de cercetare si Catedra de Automobile si Motoare a Universitatii Transilvania din Brasov, prin intermediul careia a fost posibila ridicarea diagramei indicate în primul an de finantare. Actualmente, fondurile alocate contractului pe cel de-al doilea an de finantare vor permite achizitionarea unui sistem propriu de prelevare a diagramei indicate (traductor piezoelectric de presiune neracit, montat la nivelul bujiei, amplificator de sarcina etc.).
Prin aplicarea metodologiilor clasice de cercetare experimentala pe standul motor, s-au ridicat caracteristicile de turatie ale motorului standard 810-99 utilizat, dupa care pentru diverse situatii de functionare s-au ridicat si diagramele indicate (figura 15).
|
|
|
Fig. 14. Instrumentarea standului de încercari motoare |
În urma prelucrarii rezultatelor experimentale, s-au obtinut urmatoarele: corelatia deschidere clapeta obturator ( Obt) - raport geometric de comprimare ( v) - regim de functionare; eficienta economica a ciclului (variatia celor trei categorii de randamente cu v); caracteristicile de degajare a caldurii (legea de propagare si legea de ardere efectiva, viteza de degajare a caldurii etc.), emisiile poluante, corelatia dispersie ciclica - raport geometric de comprimare ( v . În figurile 16, 17, 18 sunt prezentate câteva din rezultatele obtinute...
|
|
|
|
Fig.15. Diagramele indicate p=f(α), p=f(V) |
|
|
|
|
|
Fig.16. ηm, ηi, ηe = f(εv) |
Fig. 17. Caracteristici de degajare a caldurii utile. Analiza comparativa |
|
|
Împrastierea
valorilor pmax fata de |
|
|
|
|
|
|
|
Fig. 18. Variatia continua a presiunii din cilindru pe mai multe cicluri succesive |
|
6. Realizarea prototipului virtual al motorului articulat cu comprimare variabila
Folosind programul profesional CAD/CAE ProEngineer, s-a reusit realizarea prototipului virtual al motorului articulat cu comprimare variabila (fig. 19, 20), fiind astfel posibila ilustrarea facila a principiului de lucru al motorului eventualilor parteneri de discutii. S-a mentionat aceasta, deoarece echipa considera ca pentru continuarea cercetarii este necesara si o colaborare cu parteneri cu performante în domeniu; aici mentionam deja contactele existente cu RENAULT, ANVAR (Agence Nationale de VAlorisation de la Recherche) si SIA (Societe des Ingenieurs de l'Automobile) France, unde au fost realizate deja expuneri pe tema abordata în cadrul acestui contract (26.11.2003, 15.10.2004, respectiv 08.03.2005). Rolul acestor contacte este acela de a convinge, fiind în intentia echipei continuarea cercetarii pe un program cadru european FP6.
Existenta prototipului virtual al motorului a permis nu numai animatia si, prin urmare, ilustrarea principiului de lucru, dar si realizarea etapelor de cinematica, respectiv dinamica a motorului cu ajutorul tehnicii CAD/CAE, fiind astfel posibila validarea etapelor de calcul analitic, efectuate anterior.
7. Concluzii
Rezultatele obtinute pâna în acest moment, de catre echipa de cercetare, pot fi considerate multumitoare, ele constituind, de fapt, baza unei teze de doctorat, sustinuta pe data de 22.10.2003, a 8 lucrari stiintifice sustinute la congrese/conferinte internationale din tara si strainatate, /13-20/, a doua expuneri, prezentate în Franta, la RENAULT si ANVAR (Agence Nationale de VAlorisation de la Recherche), a unui proiect de diploma, sustinut în sesiunea iunie 2004. Mai mult decât atât, s-a realizat si o perfectionare a brevetului ce a stat la baza realizarii prototipului motor de care dispune echipa, /1/, fiind in curs formalitatile de depunere a unei cereri de brevet international în colaborare cu partenerii francezi de la CNAM Paris (Conservatoire National des Arts et Métiers). Tot pe baza rezultatelor obtinute în urma derularii contractului pe cei doi ani, mai trebuie mentionata aici si invitatia primita de catre Adrian CLENCI, din partea S.I.A. France (Société des Ingénieurs d'Automobiles), pentru a participa, pe data de 08/03/2005, cu o expunere pe tema comprimarii variabile în cadrul conferintelor anuale ce au loc la CNAM Paris (Conservatoire National des Arts et Métiers).
De asemenea, gratie finantarii primite, se vor achizitiona si componentele lipsa necesare ridicarii diagramei indicate (traductor piezoelectric de presiune neracit, adaptor pentru traductor la nivelul bujiei, amplificator de sarcina), ceea ce va permite, pe viitor, abordarea cu mai multa încredere a unor teme de cercetare finantate pe plan local, national sau international.
Stadiul actual al proiectului ne îndreptateste sa credem ca, multumita finantarii primite, se realizeaza un exercitiu interesant - unic, în tara, din cunostintele noastre - privind obtinerea unui prototip functional de motor articulat cu raport de comprimare variabil, destinat constituirii sale ca sursa energetica pentru un autoturism de fabricatie româneasca.
De fapt, informatiile prezentate pe scurt în aceasta sinteza sunt cuprinse în aproximativ 250 pagini, tehnoredactate deja.
1. Hara, V. - Motor termic adaptiv, Brevete de inventie nr. 111863B, 109770C, 104027, 96876, RO
2. CLENCI, A. - Cercetari privind îmbunatatirea functionarii unui m.a.s. la sarcini partiale prin intermediul comprimarii variabile si supraalimentarii, Teza de doctorat, Universitatea Transilvania din Brasov, octombrie 2003.
3. Clenci, A. - Raport de comprimare variabil la motorul autoturismului Dacia 1310
Disertatie de absolvire Master, Facultatea de Inginerie Pitesti, 1997
4. Clenci, A., Hara, V. - The turbocharged engine with variable compression ratio,
Congresul european de automobile (EAEC), Barcelona 1999
5. Clenci, A., Tabacu, St., Hara, V. - Static and dynamic analysis of the adaptive thermal engine lower block, Conferinta internationala CAR, Pitesti 2000
6. Hara, V., Clenci, A. - The adaptive thermal engine - The next step in powertrains,
Global Powertrain Congress, Detroit 2000
7. Hara, V., Clenci, A. - The adaptive engine - A self-regulation system with fast response time,
Global Powertrain Congress, Detroit 2001
8. Clenci, A., Hara, v., racotĂ, r., descombes, g. - Compression variable par le concept du moteur articulé. Etude sur la position de l'articulation (1), Buletinul stiintific al Universitatii din Pitesti, anul VIII, nr. 12/2002
9. Clenci, A., Hara, v., descombes, g. - Variable compression through a hinged engine. Study
on hinge position (2), Buletinul stiintific al Universitatii din Pitesti, anul VIII, nr. 12/2002
10. Clenci, A., Hara, v., descombes, g. - Variableness - A Major Key in Engine Development,
FISITA World Automotive Congress, Helsinki 2002
11. Hara, V., Clenci, A. - The adaptive thermal engine - The best-suitable for turbocharging,
Global Powertrain Congress, Detroit 2002
12. Hara, V., Clenci, A. - The Adaptive Thermal Engine with Variable Compression Ratio and Variable Intake Valve Lift, Editura Universitatii din Pitesti, 2002, ISBN 973-8212-92-8.
13. Clenci, A., Ivan, Fl., Racota, R. - Higher Expansion or Higher Compression at S.I.E ?,
Conferinta internationala ESFA, Bucuresti 2003
14. Clenci A., Hara V., Descombes G., Podevin P. - Moteur ŕ géométrie variable. Compression variable et Distribution variable - Conferinta Internationala CIEM, Bucuresti 2003.
Clenci, A., descombes, g., PODEVIN, P., HARA, V. Amélioration du rendement, aux charges partielles, des moteurs ŕ allumage commandé, par l'augmentation du taux de compression, La conférence internationale COFRET, Nancy, France 2004
16. CLENCI, A., ISPAS, N., DOGARIU, M., sERBAN, Fl. - A home-made automatic data acquisition system for the indicated diagram, Conferinta internationala ACME, Iasi 2004
17. CLENCI, A., ISPAS, N., HARA, V., BOBESCU, Gh. - Research regarding efficiency improvement of a s.i.engine at part loads through variable compression ratio, FISITA World Automotive Congress, Barcelona 2004
18. Clenci, A., descombes, g., PODEVIN, P., HARA, V., BOBESCU, Gh.- Considerations regarding the downsizing technique at the s.i.engine, CONAT International Congress, Brasov 2004
19. CLENCI, A., ISPAS, N., SERBAN, F., DOGARIU, M. - Supracomprimarea ca metoda de determinare a fenomenului de dispersie ciclica, Buletinul Stiintific al Universitatii din Pitesti, Sectia Autovehicule Rutiere, Nr. 14/2004
20. CLENCI, A., PODEVIN, P. - Moteurs a taux de compression variable, Revue Ingenieurs de l'Automobile, no 775, avril 2005
21. World Wide Web pages
|
