Doru BLDEAN

Suport curs

Motoare n Doi Timpi

UT Press

Cluj-Napoca, 2014

ISBN 973-606-737-021-8

Cuprins

Rezumat Curs Motoare n Doi Timpi

Abstract of ongoing support for two stroke engines

1. Introducere Curs Motoare n Doi Timpi

1.1. Aspecte generale privitoare la tema studiat

1.2. Scopul principal i obiectivele specifice ale cursului

1.3. Coninutul tematic al studiului i structura cursului

1.4. Concluzii 1

2. Stadiul actual al motoarelor n doi timpi

2.1. Principiul de funcionare a motorului n doi timpi

2.2. Realizri actuale n domeniul motoarelor n doi timpi

2.3. Analiza performanelor motoarelor n doi timpi

2.4. Studiul proceselor funcionale ale motoarelor n doi timpi

2.5. Perspectivele progresului motoarelor n doi timpi

2.6. Concluzii 2

3. Analiza soluiei constructive studiate

3.1. Aspectele generale privind soluiile studiate

3.2. Aspectele de calcul matematic privind soluia studiat

3.3. Concluzii 3

4. Calculul cinematic al elementelor mobile

4.1. Analiza cinematicii mecanismului biel-manivel

4.2. Modelarea forelor rezultante din mecanismul biel-manivel

4.3. Momentul total al motorului policilindric

4.4. Calculul forelor care acioneaz pe fusul maneton i fusul palier

4.5. Definirea ciclului operaional

4.6. Concluzii 4

5. Analiza prin calcul a elementelor fixe i mobile

5.1. Analiza prin calcul a elementelor de susinere

5.2. Calculul cmii cilindrului motorului

5.3. Calculul pistonului

5.4. Calculul bolului de piston

5.5. Calculul segmenilor

5.6. Calculul arborelui cotit

5.7. Concluzii 5

6. Modelarea eficienei termice a motorului studiat

6.1. Definirea parametrilor initiali

6.2. Procesul de schimbare a gazelor

6.3. Parametrii procesului de comprimare

6.4. Parametrii procesului de ardere

6.5. Calculul destinderii

6.6. Determinarea dimensiunilor fundamentale ale motorului

6.7. Concluzii 6

7. Aspecte privitoare la simularea M.A.I. n doi timpi

7.1. Aplicaiile specifice

7.2. Construcia modelului MAI n cadrul aplicaiei de simulare

7.3. Achiziia i centralizarea rezultatelor simulrii

7.4. Interpretarea rezultatelor obinute prin simulare

7.5. Concluzii 7

8. Aspecte privitoare la securitatea operaional

8.1. Norme de tehnica securitii i proteciei muncii

8.2. Concluzii 8

9. Concluzii. Contribuii. Perspective.

9.1. Concluzii i observaii finale

9.2. Contribuii personale

9.3. Perspective de dezvoltare ale studiului

BIBLIOGRAFIE

REZUMAT CURS MOTOARE N DOI TIMPI

Motoarele cu ardere intern sunt deocamdat cele rspndite i cele mai utile maini

termice. Ele genereaz peste 80% din energia general n lume prin diferite metode. Datorit

capacitii, randamentului i duratei ndelungate de lucru, motoarele sunt utilizate n aproape

toate domeniile de activitate, cu precdere n transporturile terestre i navale.

n cadrul cursului prezentat n continuare se trateaz n detaliu problematica motoarelor n

doi timpi att din punct de vedere teoretic prin studii bibliografice extinse, ct i din punct de

vedere aplicativ prin cercetri efective folosind programe de simulare i metode de modelare

matematic a diferitelor mrimi care definesc caracteristicile ciclului funcional. Se realizeaz

astfel o analiz introductiv n problematica abordat prin studiile dezvoltate n cadrul cursului, n

cadrul creia se expun aspectele generale ale temei de cercetare, scopul principal i obiectivele

specifice ale cursului, precum i coninutul tematic al lucrrii. Se definete structura ntregului

suport de cercetare. Prin suportul de curs prezentat aici se urmrete ca scop principal

evidenierea soluiei optime a motorului cu ardere intern bazat pe un ciclu funcional n doi timpi

care s constituie o alternativ viabil pentru motoarele cu patru timpi. Datorit funcionrii n

condiii acceptabile cu mai puine micri efective i mai puine piese, un astfel de motor dezvolt

o putere sporit, cu pierderi mai reduse la arborele cotit, fapt care l readuce n primul plan al

cercetrilor n domeniu i l prezint ca pe o alternativ atractiv n domeniul opiunilor privitoare

la sistemele de transformare a energiei.

Se studiaz nivelul actual al cercetrilor n domeniul motoarelor n doi timpi,

realizndu-se meniuni clare i obiective privitoare la contribuiile aduse odat cu dezvoltarea

motorului Orbital. Se prezint tendiele noi n domeniul controlului electronic al motoarelor

n doi timpi cu ajutorul sistemelor cu microprocesor pentru motoare i autovehicule. n acest

context se prezint n detaliu principiul de funcionare al motoarelor n doi timpi, respectiv

ciclul operaional al motoarelor care sunt alimentate cu amestec carburant stratificat. Se

realizeaz o analiz a performanelor motoarelor n doi timpi. Se studiaz tot n cadrul

stadiului actual ordinea i particularitilor proceselor funcionale ale motoarelor n doi timpi,

precum i o serie de perspective n vederea progresului acestui tip de motoare. Cursul este

structurat pe 9 capitole, n care se abordeaz att aspecte generale sau cronologice privitoare

la diferitele tipuri de motoare cu ardere intern, dar i realizrile pn la acest moment,

varianta aleas pentru studiu cu adaptrile specifice direciei de cercetare propuse, calculele

de ordin cinematic a elementelor mobile ale mecanismului motor.

ABSTRACT OF ONGOING SUPPORT FOR TWO STROKE ENGINES

Internal combustion engines are actualy the most popular and most utilitary thermal

engines. They are generating over 80% of energy amount in the whole world through different

methods. Due to their capacity, efficiency and operating expectancy period, internal combustion

engines are used in almost all activity fields, especially in terrestrial and naval transports.

In the ongoing support presented below are treated in details all the problems of the

two stroke engines either from a theoretical point of view through extended references study

or from an applicative point of view through effective researches using simulation programs

and mathematical modeling methods of different parameters which defines the operational

cycle characteristics. There is realized a specific introductive analyze in the solved problem

field through the studies developed in the ongoing support, an introduction which presents the

general of the research subject, the main aim and specific objectives of the ongoing support,

as well as the work thematic content. It is defined the entire research project structure. Trough

the ongoing support presented below it is aimed toward the main objective of making obvious

the optimal solution for internal combustion engine based on a two stroke operational cycle

which constitutes a viable alternative compared with the four stroke engines. Due to the

operation in acceptable conditions with less effective movements and less components, such

an engine develops a higher power, with reduced losses at the crankshaft, a fact which brings

it in the first level of researches in the engines domain and presents it as an attractive

alternative in the options field concerning the energy transformation systems.

It is studied the research state of the art in the field of two stroke engines, realizing

eloquent specifications and objectives concerning the contributions brought with Orbital

engine development. There are also presented the new tendencies in the electronic control

field with the aid of microprocessor systems for engines and vehicles. In this context is shown

quite in detail the operational principle of two stroke engines, respectively the operational

cycle of stratified itake-charge supplied engines. There is analyzed the two stroke engine

performances. It is also studied the sequence and specifications of engines proceses in order

to facilitate the progress of this kind of engines. The project is structured on 9 chapters, in

which it is treated either the general and chronological aspects concerning the different types

of internal combustion engines, or the land marks to this moment, the solution for study with

the specific adaptations toward the proposed research trend, mathematical models for the

kinematic calculus of the mobile components in the motor mechanism.

1. INTRODUCERE CURS MOTOARE N DOI TIMPI

1.1. Aspecte generale privitoare la tema studiat

Motoarele cu ardere intern sunt cele mai populare i cele mai rspndite maini

termice. Ele produc mai mult de 80% din energia general n lume prin diferite metode.

Datorit capacitii, randamentului i duratei ndelungate de lucru, motoarele sunt utilizate n

aproape toate domeniile de activitate, cu precdere n transporturile terestre i navale.

Primul motor a aprut n 1860, fiind inventat de francezul Etienne Lenoir. Motorul era n doi

timpi i dezvolta 1,1 kW, funcionnd cu un amestec carburant compus din aer-gaz de iluminat.

n 1876 a fost dezvoltat ciclul de funcionare a primului motor n patru timpi de ctre

inginerul i antreprenorul german Otto.

Industria constructoare de motoare este confruntat acum cu probleme importante. Se

are n vedere creterea fiabilitii i a rezistenei la uzare, utilizarea diferiilor combustibili,

reducerea nivelului de poluare. Soluionarea acestor probleme impune perspicacitate n

proiectare, respectiv utilizarea unor materiale i tehnologii noi pentru piesele motoarelor.

Automobilul modern solicit un motor performant energetic, simplu din punct de vedere

constructiv, ecologic, ieftin i dinamic. Pentru a rspunde acestor exigene, cercettorii

proiectani i constructorii de automobile i-au fixat ca obiective prioritare, relizarea de

grupuri motopropulsoare inovative i perfecionarea motoarelor cu ardere intern clasice.

Cercettorii de la Ford, IFP (Institut Francais du Petrole), Peugeot, Renault, Orbital Engine,

Fiat, General Motors, Crysler, Toyota, Honda au studiat printre altele o serie de posibiliti de

modernizare a motoarelor n doi timpi. Rezultatele care s-au obinut sunt remarcabile. Unele

tipuri de motoare sunt dezvoltate prin perspicacitatea proiectanilor, care se regsete n

ingenioasele soluii constructive optimizate i n electronica de nalt performan, utilizat n

comanda i reglarea proceselor.

1.2. Scopul principal i obiectivele specifice ale cursului

Prin suportul de curs prezentat aici se urmrete ca scop principal evidenierea soluiei

optime a motorului cu ardere intern bazat pe un ciclu funcional n doi timpi care s

constituie o alternativ viabil pentru motoarele cu patru timpi. Datorit funcionrii n

condiii acceptabile cu mai puine micri efective i mai puine piese,un astfel de motor

dezvolt o putere sporit, cu pierderi mai reduse la arborele cotit, fapt care l readuce n

primul plan al cercetrilor n domeniu i l prezint ca pe o alternativ atractiv n domeniul

opiunilor privitoare la sistemele de transformare a energiei.

Obiectivele specifice ale studiului realizat sunt multiple i cuprind printre altele i

urmtoarele aspecte:

prezentarea suficient de detaliat a particularitilor funcionale ale ciclului

operaional al motorului n doi timpi, cu diferitele sale variante constructive,

analiza nivelului de progres la care s-a ajuns n domeniul motoarelor cu ardere

intern ce funcioneaz n doi timpi,

definirea unei soluii optime de studiu, care s fie utilizat pentru realizarea

calculelor de reproiectare i simulare a unui ciclu complet de funcionare a

acestui tip de motor,

studiul i analiza detaliat a motoarelor orbital cu funcionare pe un ciclu

operaional n doi timpi,

studiul motoarelor cu ardere intern n doi timpi cu amestec carburant

stratificat,

analiza perspectivelor de progres ale motoarelor n doi timpi,

prezentarea soluiei constructiv funcionale stabilite pentru a constitui baza de

pornire a studiului derulat,

realizarea unui calcul cinematic al elementelor mobile ale mecanismului

motor,

dezvoltarea analizei din punct de vedere cinematic a deplasrii, vitezei i

acceleraiei pistonului, a forelor principale ce acioneaz asupra mecanismului

motor care contribuie la transformarea energiei chimice a combustibilului n

lucru mecanic, a momentului motor total,

determinarea prin calcul a forelor ce acioneaz la nivelul fusurilor paliere i

manetoane ale motorului n timpul funcionrii,

definirea structurii unui ciclu operaional pentru motorul n doi timp luat n

studiu,

analiza prin calcul a elementelor suport sau de susinere ale mecnismului

motor, ntre care pot fi menionate chiulasa, blocul motor s.a.,

modelarea prin calcul matematic a eficienei termice a motorului n doi timpi

luat n studiu,

calculul de dimensionare a motorului studiat,

dezvoltarea unor aspecte privitoare la simularea proceselor principale care au

loc n motorul cu ardere intern n doi timpi,

construcia modelului pentru simulare a motorului n doi timpi,

studiul aspectelor ce privesc securitatea operaional,

precum i analiza perspectivelor de dezvoltare a tematicii deschise n vederea

cercetrilor n domeniu.

1.3. Coninutul tematic al studiului i structura cursului

Lund n considerare scopul principal al cursului, precum i obiectivele specifice ale

cercetrii i studiului propus pe aceast cale, coninutul tematic al lucrrii este format din

dou probleme principale:

abordarea analizei motorului n doi timpi n variantele sale tradiionale,

dezvoltarea prin calcul i simulare a unor soluii inovative care pot fi adaptate

n structura ciclului funcional al motorului n doi timpi n vederea optimizrii

acestuia.

Coninutul seciunilor scrise efective ale lucrrii trebuie s trateze n detaliu aceste

probleme majore ale temei de cercetare propuse i s sublinieze oportunitile privind

aspectele de progres i dezvoltare.

Astfel lucrarea prezentat aici ca suport de curs este strcuturat pe 9 capitole, cu

subcapitole specifice n fiecare caz particular, n care se abordeaz att aspecte generale sau

cronologice privitoare la diferitele tipuri de motoare cu ardere intern, dar i realizrile pn

la acest moment n domeniul motoarelor n doi timpi, varianta aleas pentru studiu cu

adaptrile specifice direciei de cercetare propuse, calculele de ordin cinematic a elementelor

mobile ale mecanismului motor, o serie de aspecte privitoare la calculul elementelor

principale fixe ale motorului n doi timpi, aspecte privind posibilitile de modelare i

simulare a motoarelor cu ardere intern n doi timpi, respectiv indicaiile i normele

privitoare la securitatea operaional n timpul funcionrii acestor motoare, concluziile finale

ale lucrrii, sublinierea contribuiilor personale i evidenierea potenialelor direcii de

dezvoltare a cercetrilor n domeniul motoarelor cu ardere intern n doi timpi.

n rndurile care urmeaz se vor sublinia o serie de idei cu un caracter de sintez

privitoare la aspectele generale ale seciunii introductive a lucrrii.

1.4. Concluzii 1

n primul capitol al cursului s-au subliniat aspectele generale ale construciei

motoarelor cu ardere intern destinate industriei automobilelor, insistndu-se n special

asupra direciilor istorice semnificative privitoare la evoluia motoarelor n doi timpi.

S-a specificat de asemenea scopul principal al cursului, precum i obiectivele

specifice ale lucrrii sau studiului de cercetare dezvoltat n vederea ntocmirii acestuia. S-a

analizat coninutul tematic al ntregului studiu iniiat cu aceast ocazie i s-a prezentat

structura ntregii lucrri scrise n acest sens. Toate acestea fiind statuate este oportun

trecerea la faza urmtoare a dezvoltrii studiului prin analiza stadiului actual al cercetrilor i

realizrilor n domeniul motoarelor cu ardere intern ce funcioneaz pe principiul unui ciclu

operaional n doi timpi, adic n dou deplasri ale pistonului i o rotaie a arborelui cotit.

Aceast analiz detaliat se realizeaz n capitolul specific, care cuprinde studiul principiului

funcional al motorului n doi timpi, prezentarea variantelor acestuia, att din punct de vedere

constructiv, ct i funcional, respectiv direciile n care aceste motoare progreseaz datorit

implementrii unor idei inovative.

2. STADIUL ACTUAL AL MOTOARELOR N DOI TIMPI

2.1. Principiul de funcionare a motorului n doi timpi

La motorul n doi timpi, ciclul motor se desfoar pe durata a dou curse ale

pistonului, crora le corespunde o singur rotaie a arborelui cotit (Fig. 2.1). Fazele de

funcionare ale acestui motor sunt aceleai ca i la motorul n patru timpi. Deosebirea const

n faptul c, n cazul motorului n doi timpi, cele patru faze de funcionare sunt grupate dou

cte dou.

Fig. 2.1. Ciclul funcional al unui motor n doi timpi [6]

La motorul n doi timpi de asemenea putem distinge cazul MAS i cazul MAC. n

cazul unui MAS la deplasarea pistonului de la PMS la PMI (timpul I) are loc destinderea

gazelor din cilindru pn la deschiderea luminilor de evacuare dle (1), apoi are loc

deschiderea luminilor de baleiaj dlb (2) iar la cursa invers a pistonului (timpul II ), se nchid

mai nti luminile de baleiaj lb (3) (admisie) apoi cele de evacuare le (4), urmnd

comprimarea amestecului pn n punctul c unde se produce aprinderea urmat de ardere.

n cazul MAC se aspir aer, se comprim aer, combustibilul fiind injectat n punctul i.

La un astfel de ciclu, oricum ar fi el, se disting pe grafic (Fig. 2.2) cele dou curse, de la pmi

la pms i de la pms la pmi, ale pistonului, trasnd cele dou tangente verticale extreme, n A

i C, care arat poziiile pistonului la cele dou puncte moarte: superior (n 1) i inferior (n

2). Lucrul mecanic, care este reprezentat n suprafaa nchis ntre curba de evoluie a gazului

i axa volumelor, este odat pozitiv i anume n cursa motoare cnd presiunea are acelai sens

cu deplasarea pistonului (suprafaa 1ABC2) i odat negativ (suprafaa 2 CDA1) n cursa de

compresie realizat dectre piston. Lucrul mecanic rezultat este diferena dintre suprafaa care

reprezint lucrul mecanic pozitiv i suprafaa care reprezint lucrul mecanic negativ, adic

lucrul mecanic rezultat pentru ambele curse este suprafaa nchis de ctre ciclul ABCDA.

Deoarece presiunea p variaz continu de-a lungul ciclului, conform curbei de evoluie a

gazelor n cilindru, suprafaa nchis de ea se poate afla mprind-o n fii verticale foarte

nguste de aceeai lime i fcnd apoi suma suprafeelor tuturor acestor fii.

Dac limea unei fii se noteaz cu C (deplasarea elementar a pistonului), limea

ei fiind presiunea p corespunztoare, suprafaa fiei reprezint lucrul mecanic elementar: L

= p C. Lucrul mecanic total L se afl deci fcnd suma tuturor lucrurilor mecanice

elementare L, adic:

pLL C (2.1)

Se numete presiune medie n timpul unui ciclu presiunea constant care ar avea ca

rezultat acelai lucru mecanic ca i presiunea variabil pe care o exercit gazele pe piston n

timpul respectivului ciclu.

Grafic, presiunea medie a ciclului ntreg corespunde cu nlimea unui dreptunghi care

ar avea ca lungime cursa C a pistonului i, ca suprafa, o arie egal cu cea nchis de

diagrama ciclului de transformare a gazului n cilindru.

Fig. 2.2. Ciclul n doi timpi [19]. Fig. 2.3. Integrarea suprafeei ciclului [18].

Dup cum suprafaa de transformare ABCDA este obinut din diferena dintre

suprafaa pozitiv 1ABC2 i suprafaa negativ 2CDA1, n mod similar i dreptunghiul

presiunii medii este obinut din diferena dintre dreptunghiul echivalent al suprafeei pozitive

1ABC2 minus dreptunghiul echivalent al suprafeei negative 2CDA1.

Ambele dreptunghiuri, avnd aceeai lungime egal cu cursa C a pistonului, diferena

dintre suprafeele lor este proporional cu diferena de presiune medie.

Diagrama teoretic. Se presupune cilindrul umplut cu gaze proaspete, cnd pistonul se

gsete n punctul mort inferior. Pistonul deplasndu-se pn n punctul mort superior,

comprim gazele proaspete. Variaia presiuni din cilindru este reprezentat prin curba AB

(Fig. 2.4). La sfritul compresiei are loc aprinderea, cnd instantaneu se face i explozia, iar

presiunea se ridic brusc (dreapta BC), mpingnd pistonul din punctul mort superior n

punctul mort inferior (curba CD). nainte ca pistonul s ajung n punctul mort inferior,

fereastra de evacuare este deschis i presiunea din cilindru scade brusc la presiunea

atmosferic (dreapta DE).

Fig. 2.4. Diagrama teoretic a motorului n doi

timpi [17].

Fig. 2.5. Diagrama real a motorului n doi timpi

[15].

Aproape n acelai timp este descoperit fereastra de admisie, cnd gazele proaspete

ptrund nuntrul cilindrului, iar cele arse sunt evacuate n afara acestuia. Teoretic, presiunea este

egal cu presiunea atmosferic (dreapta EA).

Diagrama real. n cazul diagramei reale (Fig. 2.5) unghiurile sunt rotunjite. Curba de

explozie ncepe n punctul B, deoarece crete avansul la aprindere, iar presiunea ncepe s creasc

dup curba BC. Destinderea este reprezentat prin curba CD.

n punctul D ncepe evacuarea care continu pn n punctul A i apoi, pe o scurt parte

din cursa de revenire, pn la punctul E. n acelai timp se face i admisia. Compresia ncepe n

punctul E, i este reprezentat prin curba EB.

Diagrama real este reprezentat deasupra liniei atmosferice, deoarece presiunea, n

interiorul cilindrului, n timpul evacurii i al admisiei, este totdeauna superioar presiunii

atmosferice.

Din cele de mai sus rezult c ciclul de funcionare al motorului n doi timpi are loc la o

singur rotaie a arborelui cotit. Spre deosebire de motorul n patru timpi, la motorul n doi timpi

lipsesc timpii de aspiraie i evacuare, ca timpi independeni care necesit o rotaie ntreag a

arborelui cotit. Acetia se nlocuiesc prin procese care se desfoar n perioade scurte aparinnd

timpilor principali de destindere i compresiune.

Funcionarea motorului dup ciclul n doi timpi duce la o nsemnat cretere a puterii

acestuia. innd seama de creterea numrului ciclurilor active, n unitatea de timp ar trebui s

rezulte o putere dubl a motorului. Totui, datorit existenei unor poriuni de curse moarte n

perioada evacuri i a baleiajului, puterea motorului n doi timpi este n mod practic numai cu

6070% mai mare dect puterea unui motor n patru timpi avnd cilindri cu aceleai dimensiuni

i aceeai turaie. O parte din scderea puterii se datoreaz i consumului de energie a pompei de

baleiaj.

Avnd n vedere faptul c timpul consumat cu procesele de curire a cilindrului de

produii de ardere i de umplere cu amestec proaspt este mult mai scurt la motorul n doi timpi,

a aprut necesitatea ca pentru baleiajul cilindrului aerul s fie introdus sub presiune. Pentru

aceasta exist pompe de baleiaj speciale, acionate de arborele motorului, pompe care comprim

aerul de baleiaj n cantitatea necesar pn la presiunea de baleiaj, care este, de obicei, de

1,21,35 atm.

2.2. Realizri actuale n domeniul motoarelor n doi timpi

Motorul n doi timpi a fost inventat de Dugald Clerk n Anglia la sfritul secolului al

XIX-lea. Acest motor se baza pe comprimarea amestecului n carter i pe controlul ferestrelor de

admisie i de evacuare de ctre piston.

Primele motoare n doi timpi au fost realizate de ctre Edward Butler n 1887 i de ctre

J. D. Roots n 1892, ambele motoare echipnd tricicluri.

Cercetri ample au fost realizate de ctre Alfred Scott n primul sfert al secolului al XX-

lea. Datorit avantajelor acestui tip de motor acestea au cptat o rspndire mare n rndul

motocicletelor, i a altor maini cum ar fi: motofierstraie, motocositoare, motoare de brci.

Folosirea motorului n doi timpi la echiparea automobilelor are o istorie interesant. nc

din anii 60 acest tip de motor echipa automobile Auto-Union n Germania de vest, Warburg n

Germania de est. Unele ncercri le-a avut i Saab din Suedia. Recent Suzuki a construit

automobile din clasa mic echipate cu motoare n doi timpi. Datorit faptului c au crescut

cerinele n domeniul polurii aceste motoare se folosesc din ce n ce mai puin n industria

automobilelor datorit faptului c acestea polueaz mai mult dect cele n patru timpi. Exist

cercetri realizate pentru mbuntirea performanelor. Actualmente acesta se utilizeaz la

mainile de grdin, la motocicletele de cilindree mic, la motoarele de brci, n construcia

naval, n construcia autovehiculelor la echiparea unor camioane cu motoare diesel n doi timpi

precum i pentru echiparea unor locomotive cu motoare diesel n doi timpi. Aceste motoare se

preteaz i la curse datorit performanelor acestora.

2.2.1. Analiza motorului ORBITAL n doi timpi i a variantelor acestuia

n anul 1989, inventatorul australian, de origine iugoslav, Ralph Sarich, prezint n cadrul

unor expoziii de specialitate, un motor n doi timpi, cu trei cilindri pentru care a mbuntit

principiile acestui tip de motor.

Iniial el ncepuse cercetrile asupra unui motor rotativ, tip WANKEL, al crui piston

descria o orbit specific, prin care se depeau multiplele probleme de etaneitate, att de

precare la acest motor. Deoarece aceast optimizare a motorului WANKEL nu reuea s conduc

la depirea performanelor M.A.S.-ului clasic, societatea ORBITAL ENGINE i-a ndreptat

ulterior preocuprile asupra noului sistem de injecie direct, testat pe ORBITAL I, dar care putea

fi adaptat pe orice fel de motor.

Injecia direct, prin intermediul aerului comprimat (conform principiului deja utilizat

pentru motoarele cu aprindere prin comprimare de pe autocamioanele grele), asigur

posibilitatea ca amestecul aer-combustibil s fie foarte fin pulverizat i s se dizolve n aerul,

care vine din carter, n cazul motorului n doi timpi. Deoarece ideea lui Sarich de a combina

injecia direct a combustibilului, n echicurent (care permite intrarea ncrcturii proaspete n

camera de ardere, dup ce luminile de evacuare au fost nchise), cu pulverizarea fin a aerului

este ntr-adevr inedit i ct se poate de original.

Aceast injecie pneumatic se realizeaz, cu ajutorul unui compresor ROOTS, la presiune

joas de 5 daN/cm2 permind obinerea unei arderi stratificate a unui amestec srac. Pentru

formarea amestecului sunt necesare 4 ms.

Acest amestec fiind injectat n proximitatea bujiei, se aprinde i arde cu uurin,

asigurnd propagarea flcrii i a procesului arderii n ntregul volum al cilindrului.

n felul acesta, Sarich constat c la motorul n doi timpi se pot evita scprile de

ncrctur proaspt pe parcursul procesului de evacuare.

De aceea s-a concentrat i a continuat cercetrile n aceast direcie, de asemenea, pentru a

ataca i cealalt problem vulnerabil a motorului n doi timpi: cuplu sczut la sarcini reduse, cu

regimul de mers n gol instabil i mai ales, cu dificulti n problema lubrifierii.

Propunerea lui Sarich, n acest sens, este de a asigura lubrifierea prin intermediul unei

pompe separate, pentru a se putea evita amestecul uleiului cu combustibilul. Apoi, prin nite duze

speciale, fluidul proaspt este stropit asupra pereilor cilindrului. De aici, uleiul de ungere uzat,

ajunge n colectorul de evacuare. Iar adoptarea rulmenilor cu role a contribuit la reducerea

sensibil a consumului de combustibil ( aprox. 1 litru la 2500 km ).

Iar pentru a majora cuplu motor la regimurile de sarcini reduse i de mers n gol, admisia

din carter este controlat cu nite clapete, care se deschid n decursul aspiraiei i se nchid n

momentul comprimrii. Iar luminile de evacuare sunt prevzute cu un sertar rotativ, care

controleaz debitul. Se constat ns c soluiile adoptate de firma ORBITAL nu sunt absolut

originale. Dar rezultatul obinut cu prototipul dezvoltat este pozitiv: cu un motor cu trei cilindri,

avnd doar 1200 cm3 capacitatea cilindric care cntrete mai puin de 50 kg (41 kg), (adic

jumtate din greutatea unui motor n patru timpi, de aceeai putere), se obine o putere de 91 CP

(67 kW). Cuplul devine surprinztor de mare, ncepnd de 600 rot/min, atingnd 140 Nm la 3500

rot/min, iar consumul de combustibil se reduce cu 1020%, datorit faptului c motorul

ORBITAL a ajuns s funcioneze cu amestecuri extrem de srace (raportul

aer/combustibil=70/1, fa de cele obinute 15/1). n felul acesta, s-a influenat n sens pozitiv

randamentul injeciei pneumatice.

n privina polurii mediului nconjurtor, chiar dac motorul n doi timpi ORBITAL

nu este adaptabil utilizrii unor convertoare catalitice cu trei ci, problema i gsete soluionarea

n felul urmtor: acest motor care funcioneaz cu amestecuri srace, nu degaj practic, NOx. Dar,

funcionnd cu exces mare de aer, evacueaz hidrocarburi nearse (HC) i monoxid de carbon

(CO). Deci, este suficient a dota acest motor cu un catalizator deschis de oxidare, cu dou ci cu

platin i paladiu, care se poate realiza la un pre rezonabil (nefolosind rodiu, mult mai costisitor)

i care funcioneaz n permanen, fr a influena consumul de combustibil.

Astfel prototipul motorului, montat pe un autovehicul FORD, a trecut fr impedimente

testele antipoluare din S.U.A.

Dup ce prototipul a fost supus unor ncercri de anduran extrem de pretenioase, pe

care a reuit s le depeasc, firmele FORD din S.U.A. i MAZDA din Japonia au achiziionat

licenele de fabricaie pentru ca, n urma altor numeroase cercetri, s reueasc a valorifica

elementele pozitive ale inveniei lui R. SARICH. Se prevede c pentru motoarele n doi timpi,

concepute i executate n bune condiii, reparaiile mecanice ar fi practic inexistente.

Chiar i curarea de calamin, periodic efectuat pe motoarele clasice n doi timpi, nu va

mai fi necesar, deoarece uleiul nu se mai amestec cu combustibilul, n cazul motorului

ORBITAL.

Apoi, trebuie luat n considerare i faptul c sistemul de distribuie al unui motor

echivalent n patru timpi, conine aproximativ 170 elemente n plus, fa de ORBITAL, care se

poate lipsi i de sistemul electronic, necesar de obicei la convertizoarele catalitice antipoluare. Se

poate constata avantajul simplitii i robusteii acestui tip de motor n doi timpi.

Din cele prezentate, se poate deduce c asigurarea succesului reconsiderrii motorului n

doi timpi se datoreaz:

-injeciei directe de combustibil;

-arderii stratificate a amestecului combustibil.

Datorit procesului de ardere stratificat, n prima etap este aprins i particip la

procesul de ardere doar o cantitate redus de amestec bogat, din imediata apropiere a bujiei.

Apoi, nucleul de flacr care rezult, se propag n masa amestecului combustibil mult

mai srac, deci, avnd drept rezultat produse ale arderii mai puin poluante. Se afirm chiar, n

acest caz, c arderea este relativ curat.

Pentru a preveni dezavantajul cel mai important al motorului n doi timpi, amestecarea

gazelor de evacuare cu ncrctura proaspt, SARICH folosete pentru prototipul ORBITAL din

anul 1990 supape de evacuare. n acest caz, jetul de combustibil, fin pulverizat, prin intermediul

aerului comprimat de compresor, este injectat pe cale pneumatic n camera de ardere la finele

cursei de comprimare, dup ce supapa de evacuare a fost nchis.

n felul acesta, particulele fine de combustibil ard mult mai complet, iar nchiderea

supapei de evacuare mpiedic combustibilul nears s fie evacuat n atmosfer. Acest motor

prototip are o cilindree de 2800 cm3, ase cilindri dispui n V i cntrete doar 90 kg, producnd

150 kW. Se apreciaz de ctre specialiti c datorit electronicii i injeciei directe de

combustibil, introduse n anul 1990, motorul n doi timpi ncepe s devin competitiv comparativ

cu cel n patru timpi, existnd chiar unele preri c, n viitor, ar putea s-l i nlocuiasc. Aceasta

este prerea unor specialiti de la firma CHRYSLER S.U.A.

Trebuie subliniat faptul c n urma numeroaselor studii efectuate pn n anul 1993,

avantajele motorului n doi timpi, n aceast etap, rezult din mbuntirea sistemului de

alimentare a motorului. Folosind managementul electronic, se stabilete precis desfurarea

optim a proceselor de admisie i evacuare.

Iar, prin folosirea injectoarelor cu solenoid se obine pulverizarea (omogenizarea) fin a

amestecului carburant, care n felul acesta, va putea arde la viteze mai mari, satisfcnd condiiile

extrem de dificile, impuse motorului n doi timpi. n final, s-a reuit s se despart, n bune

condiii, admisia de evacuare, adic, o cantitate mai redus de combustibil nears va fi eliminat

prin sistemul de evacuare, n mediul nconjurtor, astfel nct emisiile vor scdea, iar eficiena

motorului va crete (Fig. 2.6).

Fig. 2.6. Motorul ORBITAL [21]

1-sistemul de baleiaj; 2-sistemul de injecie pneumatic direct; 3-aer comprimat; 4-camera de ardere cu turbulen; 5-

dispozitiv de control a fluxului gazelor de eapament; 6-sistemul de evacuare; 7-rulmeni cu role; 8-sistemul de ungere

Pentru a se putea realiza acest progres, s-a introdus injecia direct a combustibilului n

camera de ardere i nu n carter. ntr-adevr, baleiajul carterului se dovedise ineficient, n cazul

motoarelor de automobile. De aceea, s-a trecut la injecia direct. Dar introducerea injeciei

directe a combustibilului n camera de ardere, cu toate c pare o soluie simpl, necesit unele

inovaii eseniale. Astfel, diametrul particulelor de combustibil, injectate n camera de ardere a

motorului n patru timpi, prin intermediul injectoarelor este cuprins ntre 100150 microni.

Deoarece, ns, arderea n motorul n doi timpi are loc de dou ori mai frecvent, dect ntr-un

motor n patru timpi, trebuie ne-aparat, s se asigure condiiile de desfurare mai rapid a acestui

proces. ntre aceste condiii este i aceea de pulverizare a unor picturi de combustibil cu

diametrul de cel mult 10 m. Soluia Ralph SARICH, pentru motorul ORBITAL, a adoptat, dup

cum s-a mai artat, injecia combustibilului prin procedeul pneumatic, adic prin n intermediul

aerului comprimat. Compresorul, montat n exteriorul motorului, produce i stocheaz aer

comprimat, la circa 6 daN/cm2, ntr-o cavitate special a chiulasei. n acelai timp, un injector

special injecteaz combustibil n aceeai cavitate. Amestecul obinut aici, va fi, apoi, introdus n

cilindru prin intermediul unui ventil. Cnd acesta se deschide, aerul comprimat mpinge,

injecteaz un jet de amestec aer-combustibil pulverizat, n interiorul camerei de ardere a

cilindrului. Acest amestec combustibil este omogen, cu picturi foarte fine (dpict

de aer. Cu alte cuvinte, se poate asigura o amestecare stratificat prin variaia raportului aer-

combustibil, al ncrcturii proaspete pulverizate de injectoare, prin comanda electronic

adaptat la condiii.

Astfel, la sarcini reduse, amestecurile vor fi foarte srace (pn la 80/1), iar n sarcin

plin, cnd clapeta va fi total deschis, raportul devine cel stoichiometric, 14/1.

n acelai timp, variaia acestui raport aer/combustibil al amestecurilor injectate, poate

determina i o schem stratificat, chiar n interiorul cilindrului motorului, n spaiul din jurul

bujiei se va trimite un amestec bogat, iar n apropierea capului pistonului, unul srac.

Funcionarea motorului cu amestecuri srace, contribuie, att la obinerea unor arderi

corecte, complete, eficiente, ct i la reducerea emisiilor poluante ale motorului n doi timpi.

ntr-adevr, cercetrile au demonstrat, c n cazul motorului ORBITAL, prin folosirea

amestecurilor srace, mpreun cu variaia deschiderii supapei de evacuare, se reuete s se

reduc att emisiile de HC (hidrocarburi) nearse (care constituie unul dintre neajunsurile

importante ale motorului convenional n doi timpi), ct i cele de NOx.

Modele particulare de motoare ORBITAL n doi timpi

n urma rezultatelor semnificative, obinute cu acest motor, n legtur cu puterea

specific, cu consumul de combustibil i cu emisiile poluante, licena acestei construcii (dup

cum s-a mai artat) a fost preluat de mai multe firme.

Astfel, motorul ORBITAL a fost montat pe autoturismul FORD FIESTA i s-a constatat c

acesta nu difer, practic, prin modul de funcionare al acestui vehicul dotat cu un motor

convenional, de aceeai putere, dup cum nici nu este mai zgomotos dect acesta.

Au fost executate i testate numeroase modele funcionale, prevzute cu motorul

ORBITAL, dintre care pot fi amintite urmtoarele.

Prototipul ORBITAL de 1200 cm3, cu trei cilindri, 63 kW, a fost montat pe un automobil

FORD ESCORT, pentru a se face ncercri comparative cu un motor original, convenional, al

acestui model, de 1900 cm3 capacitate, 66 CP i cu patru cilindri. Se constat c performanele

motorului ORBITAL au fost superioare.

FORD se preocup, ns, s perfecioneze un motor n doi timpi, pentru un nou tip de

automobil mic (mai mic dect FIESTA, care este n prezent, cel mai mic). Acesta se afl nc n

faza de studii i cercetare (concept-car).

Proiectul utilizat pentru motor deriv din programul motorului ORBITAL n doi timpi, al

firmei. Motorul a adoptat un sistem complex de injecie pneumatic direct a combustibilului

pentru a putea reduce emisiile poluante, reuind s fie de putere mai mare i de gabarit mai redus

dect motorul echivalent, n patru timpi. Programul FORD include i cercetrile motorului la

scara 1:1, pentru a se asigura calitile funcionale, constructive i fiabilitatea motorului. FORD

susine, n urma probelor efectuate, c motorul prezint o majorare de putere de 10% i o

economie de combustibil ntre 1520%, comparativ cu motorul n patru timpi de capacitate

cilindric echivalent.

Apoi, din punct de vedere dimensional, aceste motoare sunt cu 5070% mai compacte

(nlimea este redus cu 100 mm, iar limea cu 70 mm), n timp ce greutatea sa este aproximativ

2/3 din greutatea unui motor echivalent, n patru timpi (ntre 3050% mai uoare) i cu prelucrri

mai puin costisitoare n procesul de fabricaie n proporie de 2030%, dect un motor similar n

patru timpi.

Proiectul FORD-ORBITAL elimin majoritatea neajunsurilor motorului n doi timpi

convenional n privina elementelor poluante. Se reuete aceasta, n mare msur, prin adoptarea

unui sistem complex de injecie a combustibilului i a unor comenzi i funcii electronice precise

ale managementului procesului de ardere. n privina ungeri motorului, FORD urmrete, pe de o

parte, s reduc cantitatea de ulei (raportul ulei/combustibil variaz ntre 1/1001/400 n

funcie de sarcin i turaie), iar pe de alt parte, s utilizeze uleiurile de calitate superioar, cu

formare redus de funingine sau cenu, sau complet lipsite de aceste produse ale arderii, pentru

a se evita, formarea, de fum la ieirea gazelor din eapament.

Motorul a fost prezentat pentru prima dat la EXPOZIIA de MOTOARE de la

BARCELONA n mai 1991.

Pe baza rezultatelor obinute, FORD mpreun cu ORBITAL urmeaz s stabileasc i s

definitiveze pentru motoarele n doi timpi norme i standarde la un nivel ct mai ridicat, pentru

calitatea i fiabilitatea acestora.

GENERAL MOTORS (G.M.) a achiziionat licena ORBITAL pentru a beneficia de

posibilitatea cercetrii n detaliu a funcionrii unui astfel de motor n doi timpi pe un automobil

MICRO, pentru doi pasageri, special prevzut cu un motor de dimensiuni i de greutate redus.

Motorul testat este cu injecie direct comandat electronic i cu ardere stratificat a amestecului.

Motorul ORBITAL, cu trei cilindri, de 1500 cm3 capacitate cilindric, produce 80 kW,

adic o putere litric de 54 kW/dm3, identic cu cea obinut de G.M. cu motorul su de mare

performan, QUAD-4, n patru timpi, cu patru cilindri, 16 supape, cu cilindreea de 2300 cm3 i

care produce 118132 kW (adic 5157 kW/dm3). n schimb, motorul ORBITAL posed doar

jumtate din numrul componentelor i cntrete cu 40% mai puin dect QUAD-4. G.M. susine

c motorul funcioneaz la fel de uniform ca un motor n patru timpi cu ase cilindri.

Firma CHRYSLER S.U.A., dup ce nu a reuit s se redreseze cu modelul MERCURY

MARINE, a ncercat s lanseze pe pia o main mic, cu motor n doi timpi. n acest sens, a

iniiat un program propriu de dezvoltare. Prototipul motorului n doi timpi este cu trei cilindri, de

1100 cm3 capacitate cilindric, care cntrete cu aproximativ 30% mai puin dect motorul

echivalent n patru timpi, dar care produce o putere cu 40% mai mare, pentru un gabarit ocupat cu

circa 33% mai redus. Simplitatea constructiv a motorului i consumul redus de combustibil au

determinat premisele optimizrii motorului, urmrindu-se s se obin o putere litric de 73

kW/dm3. Cercettorii de la CHRYSLER afirm c au dezvoltat peste 50 de variante

experimentale ale motorului, n privina proceselor de schimbare a gazelor (admisia i baleiajul).

S-a ajuns, de asemenea, la concluzia c e necesar utilizarea unei suflante exterioare, spre

deosebire de sistemul tradiional de baleiaj n carter. De aceea, acest motor este denumit cu

injecie direct i baleiaj exterior (lb. engl.: EXTERNAL BREATHING DIRECT INJECTION

E.B.D.I.). E.B.D.I. asigur flexibilitate n alimentarea corespunztoare cu aer proaspt, n cursul

admisiei, n funcie de regimul de vitez i de sarcin a vehiculului. n acelai timp cu firma

ORBITAL, firma CHRYSLER desfoar un program propriu (proiect J. GOULART) de

dezvoltare a motoarelor n doi timpi. Proiectul CHRYSLER se distinge de cel al companiei

ORBITAL pe dou direcii:

- n alimentarea cu combustibil;

- n realizarea baleiajului.

n loc s foloseasc, n exteriorul motorului, un compresor pentru injectarea aerului la o

presiune relativ redus (6,08,0 daN/cm2), sistemul CHRYSLER adopt injecia de combustibil la

presiuni ridicate. Pentru fiecare cilindru exist cte un injector, prin care combustibilul va fi

trimis n interiorul cilindrului, la aproximativ 70 daN/cm2. Avantajul acestui sistem fa de cel

ORBITAL const n eliminarea compresorului exterior de aer i n utilizarea unui injector pe

fiecare cilindru, n loc de dou: unul special pentru aer i altul pentru combustibil. Sistemul

CHRYSLER este criticat pentru faptul c funcioneaz la presiuni ridicate, ceea ce atrage o serie

de complicaii inevitabile.

Cu toate c ambele sisteme folosesc injecia pentru baleiaj, principiile pe care acestea se

bazeaz sunt diferite:

-sistemul ORBITAL adopt baleiajul prin carter,

-sistemul CHRYSLER este un baleiaj provocat de la o pomp exterioar.

n primul caz, carterul inferior sau baia motorului contribuie i la ndeplinirea rolului de

pompare. Presiunea majorat n spaiul de sub piston, datorit cursei de coborre a acestuia,

comprim aerul existent aici, spre camera de ardere, fcnd posibil evacuarea gazelor rezultate

n urma procesului de ardere pentru a realiza apoi procesul umplerii.

n soluia CHRYSLER, aerul este introdus prin pompare din exterior, direct n camera de

ardere, fr s mai ajung n carter. n acest caz, sistemul de ungere este, de asemenea, sub

presiune, astfel nct lubrifiantul poate fi dirijat spre toate lagrele arborelui i bielei. Lagrele n

acest caz pot fi de tipul cu alunecare, adic mai puin costisitoare dect cele de rostogolire (cu

role sau bile), care se impun a fi folosite n cazul baleiajului prin carter i a ungerii prin barbotaj.

Motorul n doi timpi se simplific semnificativ, deoarece nu posed mai mult de 15 elemente

componente. ntemeiat pe acest principiu de baleiaj din exterior, firma susine c poate dezvolta o

clas de motoare n doi timpi cu puteri cuprinse ntre 60295 kW.

n Japonia, firme ca: TOYOTA, HONDA, SUBARU, MAZDA au fiecare demarat cte un

program de cercetare a unor motoare n doi timpi.

SUBARU, de exemplu, a dezvoltat cercetri asupra unui model funcional al unui motor

supraalimentat MAS n doi timpi, cu patru cilindrii n V, cu cilindreea de 1600 cm3, care

asigur 129 kW (Fig. 2.7). Supraalimentarea servete pentru a introduce aer n motor, n interiorul

unui circuit de ungere, care s mping uleiul n interiorul cilindrilor. Suflanta utilizat este de tip

mecanic.

n ultimul timp, firma a adoptat pentru acest motor, cilindreea de 1500 cm3 i o putere

furnizat de 110 kW (150 CP). Motorul este alimentat prin injecie la presiune ridicat, direct n

cilindru, folosind un sistem complex al firmei SIEMENS-BENDIX.

La firma TOYOTA, care dezvolt un program propriu de cercetare cu privirela motoarele

n doi timpi, se constat o diferen n raport cu ceilali productori de automobile. n timp ce

majoritatea firmelor studiaz implementarea acestui tip de motor, pentru a fi aplicate pe motoare

ct mai mici, pe autovehicule economice, TOYOTA ncearc s-l introduc pe autovehicule mari

i pe clasa de lux. Astfel, a dezvoltat motorul S-2, cu ase cilindri de 3000 cm3 capacitate

cilindric, care asigur un cuplu maxim de peste 500 Nm, o putere de 147176 kW la 3600

rot/min adic, o putere liric de pn la 59 CP/dm3. Pentru a se aprecia aceste performane, se

poate realiza o comparaie cu cele obinute de motoarele n patru timpi B.M.W. (modele 750 I L

i 850 I), care produc 220 kW la 5200 rot/min, adic 44 kW/dm3. Pentru alimentarea cu benzin i

baleiajul cilindrilor se folosete o suflant de tip ROOTS, precum i sistemul de injecie direct

comandat electronic i controlul computerizat al desfurrii procesului de ardere.

Fig. 2.7. Motorul SUBARU-V-4, n doi timpi, cu supraalimentare mecanic (ROOTS), cu injecie direct de

combustibil, la presiune ridicat [5].

1-lumini de baleiaj; 2-obturator rotativ pentru evacuare; 3-lumini de evacuare; 4-bujie; 5-bobin pentru sistemul de

aprindere; 6-injector; 7-suflanta (tip ROOTS).

Firma TOYOTA a dezvoltat i un model diesel al motorului S-2, care asigur o

funcionare uniform, cu nivele de zgomot i cu vibraii reduse. Acestea din urm s-au dovedit a

fi cu 80% mai reduse dect cele existente pe motorul n patru timpi. Dac s-a reuit aceast

reducere semnificativ, att a zgomotului ct i a vibraiilor, firma va ncerca s implementeze

aceste motoare silenioase n doi timpi i pe autovehicule de lux.

Totui se apreciaz c nainte de a fi introduse n producia de serie, mai sunt necesare

studii i cercetri referitoare la durabilitatea i fiabilitatea motoarelor n doi timpi. Aceste

motoare, pstreaz doar principiul teoretic de funcionare al motorului n doi timpi. n rest,

soluiile adoptate sunt mult mai complicate.

Chiulasele motoarelor (M.A.S. i M.A.C.) prezint caracteristicile unor motoare moderne

n patru timpi, cci posed arbori cu came i cte patru supape pe cilindru.

Injecia de combustibil (benzin sau motorin) ncepe, ns, numai dup nchiderea

supapelor de evacuare, pentru a evita ptrunderea ncrcturii proaspete n colectorul de evacuare,

conform soluiei SARICH. La fel ca la motorul ORBITAL al acestuia, alimentarea se face prin

introducerea forat a aerului proaspt, cu ajutorul unui compresor tip ROOTS, n cilindrul

motorului. Aceste motoare au fost prezentate la Expoziia de motoare de la TOKYO din anul

1991. Dar, competiia asigurrii perfeormanelor continu: se pune problema testrii fiabilitii i

durabilitii motorului n doi timpi, cel puin pentru a funciona pe parcursul a 160 000 km.

Adepii baleiajului, prin intermediul suflantei, susin c uleiul din sistemul de ungere, aflat sub

presiune, va asigura o rcire mai eficient a pistonului i durabilitatea acestuia va fi mbuntit.

2.2.2. Analiza motorului n doi timpi cu funcionare economic

La motoarele n doi timpi cu aprinderea iniiat de ctre bujie, aproape 40% din amestecul

carburant particip la ceea ce se numesc pierderi prin eapament, lucru ce face s creasc n mod

considerabil consumul de carburant i poluarea mediului nconjurtor prin emisii semnificative de

substane toxice.

Specialitii Institutului pentru automobile i motoare cu ardere intern din Cracovia au

brevetat un motor nou ce elimin dezavantajele menionate, fcnd ca acesta s devin mai

economic i reducnd nivelul de poluare al gazelor de eapament.

Principiul de baz al inveniei respective const n aceea c, partea superioar a

amestecului de aprindere, care ajunge n eapament, nu mai este format din amestec carburant,

ci numai din aer (Fig. 2.8).

Fig. 2.8. Motor n doi timpi cu funcionare economic [5].

Partea superioar a conductei de admisie 1 este prevzut cu orificiul 2, unde se

racordeaz conducta 3 care conduce aer curat din atmosfera nconjurtoare la carburatorul 5.

Debitul de aer este reglat prin supapa cu disc 7 i clapeta de aer 6. Datorit acestui circuit

complementar de admisie, carterul 4 primete n timpul compresiei o nou doz de amestec

carburant, n timp ce conducta 1 furnizeaz aer curat. n momentul n care pistonul deschide

orificiul de admisie, cilindrul primete mai nti aer fr carburant i apoi amestecul aer-

carburant. Zona frontal a ncrcturii este astfel format din aer curat i acesta va fi trimis n

eapament. Pierderea prin eapament const astfel numai din aer i nu din amestec carburant.

2.2.3. Analiza motoarelor n doi timpi cu amestec carburant stratificat

n Irlanda a fost dezvoltat o metod de alimentare cu aer i combustibil prin formare

stratificat a amestecului carburant la motorul n doi timpi. Aceasta contribuie la reducerea

pierderilor de combustibil prin suprapunerea deschiderii luminilor de admisie i de evacuare, n

timpul baleiajului. Un motor monocilindric cu capacitatea de 400 cm3, alimentat prin metode

clasice, care dezvolt o putere maxim de 16 kW (21,5 CP) la 5000 rot/min i un consum specific

minim de 0,275 kg/kW, a reprezentat obiectul cercetrilor privind alimentarea stratificat.

Un dezavantaj important al motoarelor moderne n doi timpi convenionale rezid n

consumul ridicat de combustibil i coninutul semnificativ de hidrocarburi nearse din gazele de

evacuare, n comparaie cu motoarele n patru timpi. Aceast problem se datoreaz faptului c la

un motor n doi timpi, cu sistem de alimentare prin carburator (care realizeaz baleiajul prin

carter sau prin ncruciare), evacuarea gazelor arse este efectuat de ctre amestecul proaspt

format din aer i combustibil. O parte din ncrctura proaspt se amestec cu gazele arse n

timpul procesului de baleiaj; o alt parte este pierdut prin suprapunerea deschiderii luminilor de

admisie i evacuare a sistemului de distribuie. n esen, ncrctura de amestec proaspt trece

prin orificiul de evacuare (ajungnd n gazele de eapament) i iese nears din cilindru direct n

atmosfer. Efectul final este c 2540% din amestecul carburant de aer i combustibil se pierde,

ceea ce nseamn un consum ridicat de combustibil i un nivel ridicat de hidrocarburi nearse n

gazele de evacuare la motorul n doi timpi.

Fig. 2.9. Zonele de acces ale aerului i combustibilului n cilindrul motorului [5].

O metod de mbuntire a performanelor motorului n doi timpi este alimentarea

stratificat cu amestec carburant, care se realizeaz prin dou orificii pentru admisia aerului.

Orificiul mic (Fig. 2.10) permite admisia a 20% din aerul necesar i 100% din doza necesar de

combustibil. Orificiul mare de admisie permite intrarea n cilindru a 80% din aerul necesar, dar

fr nici o urm de combustibil. Aerul necesar este admis printr-o clapeta i un difuzor, direct n

carter. Amestecul aer-combustibil (100% combustibil i 20% aer) ptrunde prin pasajul de

trecere invers, lung trecnd prin carburator i difuzor, amplasate aproape de intrarea n cilindru,

n locul n care racordul de trecere este conectat la cilindru. Pasajul de trecere face legtura dintre

cilindru i carter. Clapeta carburatorului este conectat cu clapeta de la intrarea n carter.

n cazul motorului n doi timpi, cu alimentare stratificat a amestecului, cile de acces n

motor ale aerului i combustibilului sunt: 1-20% din aerul necesar; 2-admisia mic; 3-100%

combustibil; 4-pasajul de trecere, invers, lung; 5-80% din aerul necesar; 6-admisia mare; 7-

racordurile laterale de trecere; 8-poarta pasajului de trecere, invers, lung; 9-seciune prin motor, la

nivelul racordului de trecere; 10-aer+combustibil; 11-combustibil; 12-aer.

Pe msur ce pistonul se deplaseaz spre punctul mort inferior, comprim aerul din carter

i-l mpinge, prin orificiile laterale, n cilindru. n acelai timp, amestecul carburant aer-

combustibil care se afl n zona racordului de trecere este forat s intre n cilindru. Volumul

pasajului de trecere este astfel stabilit, nct puin (sau deloc) din amestecul bogat s ajung n

contact cu cea mai mare parte a masei de aer din carter. Prin realizarea unui unghi mare de

nclinare a racordului de trecere la intrarea n cilindru, amestecul bogat, absorbit n timpul

baleierii, trebuie s aib tendina de a rmne pe peretele din spatele cilindrului (peretele opus

orificiului de evacuare). Jeturile laterale de transfer a aerului, trebuie s contribuie la reinerea

jetului de amestec bogat la peretele din spate al cilindrului. ntruct aceste orificii sunt astfel

dispuse ca s fie adiacente celor de evacuare, apariia unei suprapuneri a deschiderii a luminilor

de admisie i evacuare trebuie s conduc n cel mai bun caz la zero pierderi, iar n cel mai ru

caz la pierderi foarte reduse de amestec carburant (aer-combustibil), fiind vorba de pierderile

provocate de amestecul celor dou curente de admisie.

Motorul prezentat a fost un monocilindru n doi timpi cu compresie prin carter, cu

aprindere prin intermediul unei bujii, ce funcioneaz dup principiul baleiajului n bucl.

Motorul este de tipul cu aspiraie natural i folosete sistemul de admisie prin difuzor. Acest

monocilindru are alezajul de 85 mm i cursa de 70 mm cu cilindreea unitar de 397,2 cm3 i

raportul de compresie n carter de 1,55:1. Difuzorul i colectorul de admisie n carter au o

suprafa diferenial de 2:1. O treime din suprafaa total de aspiraie este prin carburator n

pasajul de trecere invers, iar celelalte 2/3, direct n carter. Momentul deschiderii orificiilor de

evacuare i de admisie este controlat de ctre piston i, de aceea, deschiderea i nchiderea lor

este simetric fa de punctul mort superior.

Chiulasa are o cavitate semisferic central pentru arderea amestecului combustibil, care

permite obinerea unui raport de 7,25:1.

Sistemul de evacuare cuprinde o serie de conuri al cror diametru cresctor este dirijat

spre seciunea mijlocie a conductei, unde este dispus un difuzor pentru reducerea diametrului

ctre conducta final care ptrunde n amortizorul de zgomot. Motorul este rcit cu lichid , iar

lubrifierea pieselor se realizeaz prin intermediul unui sistem autolubrifiant Yamaha, care

folosete un ulei clasic pentru motoarele n doi timpi, introdus n motor prin conducta de admisie

numai pentru aer, la orificiul cu cel mai mare diametru.

2.3. Analiza performanelor motoarelor n doi timpi

Principalul avantaj al ciclului funcional n doi timpi rezid n mmbuntirea puterii

litrice a motorului. Un motor n doi timpi cu anumite dimensiuni i la o turaie specific dezvolt

o putere cu 6575% dect un motor similar cu ciclu funcional n patru timpi. Aceasta nseamn

c, la aceeai putere, motorul n doi timpi are dimensiunile cilindrului mai mici dect cele ale

motorului n patru timpi. Prin urmare, rezult o greutate i un volum mai reduse, chiar dac

motorul n doi timpi cuprinde i o pomp special de baleiaj.

Soluiile realizate practicde motoare navale demonstreaz c greutatea specific a unui

motor cu autoaprindere n doi timpi, inclusiv pompa de baleiaj cu piston, este cu 45% mai mic

dect aceea a motorului similar n patru timpi. Prin urmare, motorul n doi timpi necesit mai

puin material i are dimensiuni de gabarit mai reduse. n cazul n care pentru baleiaj se folosesc

compresoare centrifugale (lucrnd astfel la turaii mai mari), avantajele motoarelor n doi timpi n

ceea ce privete greutatea specific i dimensiunile de gabarit devin mai evidente. Totodat,

motoarele n doi timpi au o uniformitate mai mare a funcionrii. Aceasta se explic prin faptul

c, n timp ce la motorul n patru timpi pentru fiecare cilindru o curs activ a pistonului revine la

dou rotaii ale arborelui cotit, la motorul n doi timpi, cursa activ realizat de ctre piston se

efectueaz la fiecare rotaie. Dac aceste dou tipuri de motoare trebuie s aib unul i acelai

grad de neuniformitate a funcionrii, atunci dimensiunile i masa volantului vor fi mai mici la

motorul n doi timpi.

Avantajul mare al motoarelor n doi timpi este simplificarea substanial a sistemului de

distribuie. De exemplu, la motorul n doi timpi fr compresor cu autoaprindere, cu baleiajul

prin ferestre, nu este necesar sistemul de distribuie dect numai pentru acionarea pompei de

injecie; deoarece ns pompa de injecie a motorului n doi timpi lucreaz cu o turaie egal cu

aceea a arborelui cotit (o injecie la fiecare rotaie a arborelui cotit), cureaua sau lanul de

distribuie poate de fapt s lipseasc, deoarece pompa de injecie va fi acionat direct de ctre

arborele cotit.

La motoarele n doi timpi, chiulasa motorului este mult simplificat, ceea ce uureaz

construcia i exploatarea motorului. La motorul n patru timpi, chiulasa trebuie s aib cteva

orificii pentru supape i injector. Cavitile interioare ale chiulasei trebuie s fie umplute cu lichid

de rcire; buna circulaie, obinut printr-o dispunere corespunztoare a nervurilor, trebuie s

asigure o rcire uniform a chiulasei pentru a evita supranclzirile locale i formarea de

crpturi. Toate aceste dificulti constructive impun o configuraie destul de complicat a

chiulasei, din care cauz turnarea ei determin adeseori un mare numr de rebuturi.

La motoarele n doi timpi, aceste probleme sunt nlturate n mare msur, deoarece

chiulasa motorului n doi timpi nu are cele dou orificii principale pentru supapele de admisie i

evacuare i, din aceast cauz, turnarea chiulasei este mult mai simpl, iar exploatarea mai sigur.

La motoarele n doi timpi trebuie s se menioneze condiiile favorabile de funcionare a

arborelui cotit n ceea ce privete sarcina. La motorul n patru timpi, n perioada compresiei i a

destinderii pistonul i biela mpreun cu capul bielei, sunt presate de gazele din cilindru pe fusul

arborelui cotit; n perioada evacurii, datorit forelor de inerie ale pieselor aflate n micare de

translaie, aceste piese se deprteaz de arborele cotit i creeaz o sarcin n sens contrar. n acest

fel, arborele cotit al motorului i lagrele sale suport sarcini alternative la fiecare dou rotaii. La

motoarele n doi timpi, datorit lipsei timpilor de admisie i evacuare, n timpul compresiunii i al

destinderii piesele n micare de translaie sunt totdeauna apsate ctre arborele cotit, datorit

gazelor din cilindru, i creeaz n permanen o sarcin de acelai sens. Din aceast cauz, la

motoarele n doi timpi, n cazul funcionrii normale, uruburile bielei nu au de suportat aproape

nici un efort suplimentar n raport cu sarcina determinat de forele de inerie ale prii inferioare

a capului bielei n PMI.

Fa de avantajele artate, motoarele n doi timpi au o serie de dezavantaje, dintre care

cele mai importante sunt urmtoarele: pentru baleiajul cilindrului motorului n doi timpi este

nevoie de o pomp de baleiaj. Aa cum va rezulta din cele ce urmeaz, capacitatea cilindric a

pompei de baleiaj trebuie s fie cu 3050% mai mare dect capacitatea cilindric a motorului,

deoarece numai n acest caz baleiajul cilindrului este satisfctor. Dac pompa de baleiaj este o

pomp cu piston, legat direct cu arborele motorului, dimensiunile ei sunt mari, iar motorul n

ansamblul su devine mai voluminos i mai greu, dei n comparaie cu motoarele asemntoare

n patru timpi, cum s-a artat mai sus, motorul n doi timpi este totui mai uor.

Dezavantajul existenei unei pompe de baleiaj se micoreaz cu mult dac se folosesc

compresoare centrifugale de turaie mare ale cror dimensiuni de gabarit i greutate sunt mult mai

reduse.

La motoarele n doi timpi, solicitarea termic a pieselor i mai ales a pistonului este mult

mai mare dect la cele n patru timpi. Aceasta se datoreaz faptului c la motoarele n doi timpi

au loc de dou ori mai multe cicluri n unitatea de timp. La motoarele n doi timpi apar dificulti

constructive, legate de existena ferestrelor de evacuare n partea inferioar a cilindrului i de

creterea solicitrilor termice n acest loc. La motoarele n doi timpi, valoarea coeficientului

gazelor reziduale este mai mare dect la cele n patru timpi. Aceasta se explic prin timpul mai

scurt alocat pentru curirea cilindrului de gazele reziduale i pentru umplerea lui cu aer

proaspt, adic pentru procesul de baleiaj. Datorit faptului c la motoarele n patru timpi, pentru

aceste procese (admisia i evacuarea) este necesar un interval corespunztor unghiului de peste

240RAC (al manivelei), la motoarele n doi timpi baleiajul se face n intervalul unui unghi al

manivelei de =90120o. Din aceast cauz, cu toat curirea forat a cilindrului, cantitatea

gazelor reziduale la motoarele n doi timpi este mai mare i, prin urmare, coeficientul gazelor

reziduale este mai mare. Valoarea coeficientului pentru motoarele n doi timpi cu pompe de

baleiaj variaz de obicei ntre 0,060,10. Datorit creterii coeficientului , arderea

combustibilului n cilindru se nrutete ntr-o oarecare msur, iar presiunea medie indicat pi

scade. Pe lng aceasta, presiunea indicat medie la motorul n doi timpi scade n comparaie cu

motorul n patru timpi, datorit cursei moarte. Consumul de combustibil i ulei la motoarele n

doi timpi este puin mai mare dect la motoarele n patru timpi. Aceasta se explic, n primul

rnd, prin existena pompei de baleiaj, care necesit un consum suplimentar de putere pentru

acionare i un consum suplimentar de ulei pentru ungerea pieselor ei. Cu toate aceste dezavantaje

ale motorului n doi timpi, ciclul funcional al acestuia, care conduce la o cretere nsemnat a

puterii litrice, se rspndete pe scar larg, iar ntr-o serie de cazuri motoarele n doi timpi le

devanseaz pe cele n patru timpi.

n figura 2.10. este reprezentat nivelul vnzrilor de motociclete cu motoare n doi timpi

comparativ cu cele echipate cu motoare n patru timpi n mai multe ri n anul 2013. Acest grafic

arat c n Asia unde numrul de locuitori este mare datorit aglomerrii urbane motocicletele

echipate n doi timpi sunt foarte rspndite datorit calitilor dovedite.

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

China India Japonia Tailanda Taiwan Indonezia USA

2timpi

4 timpi

Fig. 2.10. Nivelul vnzrilor de motociclete n doi timpi comparativ cu cele n patru timpi [5].

2.4. Studiul proceselor funcionale ale motoarelor n doi timpi

Analiza termodinamic a ciclului funcional al motoarelor cu ardere intern arat c,

pentru a menine la un nivel ridicat performanele economice i de putere, doi din cei patru

timpi ai unui motor sunt indispensabili: comprimarea prealabil a ncrcturii proaspete, care

asigur o valoare ridicat a randamentului termic i destinderea gazelor de ardere, care

permite obinerea unui lucru mecanic util. Astfel, pentru a se obine o putere sporit pe

unitate de cilindree, reducerea numrului de timpi se poate realiza doar prin eliminarea

curselor de admisiune normal i evacuare forat. O asemenea soluie devine posibil dac

funcia de pomp pe care o ndeplinete pistonul unui motor n patru timpi este preluat de o

instalaie special de pompaj. n acest scop, motoarele n doi timpi sunt prevzute cu agregate

suplimentare, care asigur umplerea forat a cilindrului. Pentru evacuarea gazelor de ardere

i umplerea cilindrului cu gaze proaspete, se stabilesc pri din cursele de destindere i

comprimare. Evacuarea gazelor de ardere i admisia se realizeaz printr-un ansamblu de fante

sau lumini, executate la partea inferioar a cilindrului (Fig. 2.11), ceea ce permite eliminarea

distribuiei prin supape i simplificarea constructiv a motorului.

Fluidul proaspt comprimat ntr-o suflant la presiuni ps reduse, de ordinul a 1,3

daN/cm2, ajunge prin luminile de baleiaj n cilindru. Gazele de ardere sunt evacuate din

cilindru prin luminile de evacuare. n timpul evacurii, presiunea n galeria de evacuare pge

este teoretic constant i mai mic dect presiunea ncrcturii proaspete ps. Diferena de

presiune p=pspge face posibil umplerea forat a cilindrului.

Deschiderea i nchiderea luminilor

de baleiaj i evacuare (lumini de distribuie)

se realizeaz prin deplasarea pistonului care,

ndeplinind o funcie suplimentar, de sertar

de distribuie, este supus unor condiii de

funcionare mai grele dect cele n care

lucreaz pistonul unui motor n patru timpi.

Evacuarea gazelor de ardere din cilindru se

efectueaz liber i forat, n ultima etap prin

dislocarea lor de ctre gazele proaspete, prin

baleiaj. n condiii teoretice este exclus

amestecarea gazelor de ardere cu fluidul

proaspt, astfel nct se presupune c acesta

din urm acioneaz ca un piston. n realitate,

amestecarea nu poate fi evitat, din cauza

difuziei moleculare i turbulente. Procesul de

baleiaj poate avea loc numai dac presiunea

n cilindru este cel mult egal cu presiunea

fluidului proaspt ps.

Fig. 2.11. Luminile de distribuie (a) i fazele de

distribuie (b) la un motor n doi timpi [15].

Ca i la motorul n patru timpi, la un motor n doi timpi ciclul de funcionare este

limitat de o serie de restricii. ntruct destinderea prelungit a gazelor de ardere pn la

presiunea ps nu este posibil, este necesar ca n momentul deschiderii luminilor de baleiaj,

DLB (Fig. 2.11, b), presiunea n cilindru s fie teoretic egal cu o presiunea ps. Aceast

condiie se realizeaz numai dac deschiderea luminilor de evacuare (DLE) se produce

naintea deschiderii luminilor de baleiaj; n felul acesta are loc scparea n exterior a unei

cantiti de gaze de ardere care determin o scdere rapid a presiunii pn la presiunea ps. n

acest scop se prevede o sporire a nlimii luminilor de evacuare He n raport cu nlimea

luminilor de baleiaj Hb.

Evacuarea liber a gazelor arse la motorul n doi timpi cu distribuie prin lumini

determin un dezavantaj important. Astfel, dup ce pistonul a nchis luminile de baleiaj,

comunicaia cilindrului cu exteriorul nu se ntrerupe (n intervalul iILE-ILB) deoarece

luminile de evacuare se nchid cu ntrziere; aceasta are drept consecin scparea fluidului

proaspt n exterior.

Baleiajul cilindrului. Pn n prezent, procesul de evacuare forat a gazelor reziduale

ale procesului de ardere sub influena fluidul motor proaspt nu este cunoscut n toate

amnuntele. Un rol specific n evacuarea forat a gazelor de ardere l are modul de deplasare

a curenilor de fluid proaspt, care trebuie s fie astfel nct s asigure o dislocare spaial a

gazelor de ardere, s micoreze la minimum gradul de amestecare turbulent cu gazele de

ardere i s previn scparea n exterior prin luminile de evacuare a fluidului proaspt.

Pentru a urmrii deplasarea curenilor n cilindru, au fost efectuate ncercri pe

modele care permit filmarea procesului de baleiaj. Au fost imaginate modele de diferite

tipuri: plane sau spaiale, statice sau dinamice, cu aciune continu sau monociclic.

Imaginile obinute prin fotografierea procesului de baleiaj pe un model plan (reprodus

schematic n fig. 2.12) arat c, iniial, chiar la o deschidere redus a ferestrelor de baleiaj i

independent de nclinarea acestora, coloana de fluid motor proaspt ptrunde n cilindru

paralel cu axa acestuia i tangent la peretele adiacent luminii de baleiaj (a). Apoi, fluxul i

modific direcia fa de axa cilindrului (b) dar direcia sa de deplasare este tot ctre partea

superioar a cilindrului. O deschidere suplimentar a luminilor de baleiaj (c) mrete

nclinarea curentului de fluid proaspt care tinde s formeze un curent n partea superioar a

cilindrului. Ultimele secvene arat o divizare a curentului de fluid proaspt (d); o parte a lui

se deplaseaz spre zona superioar a cilindrului i produce un vrtej n sens orar; cealalt

parte, de forma unui arc de cerc, se ndreapt ctre lumina de evacuare prin care ajunge n

mediul exterior.

Fig. 2.12. Schematizarea curenilor de fluid proaspt n cilindrul motorului n doi [15]

n prezent, dirijarea curenilor de fluid proaspt n cilindrul motorului, n vederea

sporirii eficienei proceselor de evacuare i de admisie forat, se efectueaz n mai multe

moduri. Dup traiectoria parcurs de curentul principal de fluid proaspt n cilindrul, se

disting dou tipuri fundamentale de baleiaj: 1) baleiaj n bucl; 2) baleiaj n echicurent.

Fiecare tip de baleiaj se realizeaz, la rndul lui, n mai multe variante. Baleiajul n bucl se

realizeaz la motoarele n doi timpi cu distribuie prin lumini, aezate numai la o singur

extremitate a cilindrului. Denumirea acestui tip de baleiaj vine de la traiectoria parcurs de

curentul principal de fluid proaspt. Variantele de baleiaj n bucl sunt grupate n dou clase

principale, denumite: baleiaj n bucl nchis i baleiaj n bucl deschis.

n figura 2.13, a se prezint un tip de baleiaj cu bucl deschis. Pentru a mrii

eficiena baleiajului, uneori capul pistonului se profileaz adecvat, sub forma unui deflector,

care dirijeaz curentul de fluid proaspt spre partea superioar a cilindrului i mpiedic,

totodat, scparea acestuia direct prin luminile de evacuare. Deflectorul introduce ns

dificulti la execuia pistonului i nu permite optimizarea arhitecturii camerei de ardere.

Pentru a mpiedica parial scparea fluidului proaspt direct prin luminile de evacuare, se

evit plasarea acestora n faa luminilor de baleiaj (Fig. 2.13, a). n figura 2.13, b se prezint

un tip de baleiaj cu bucl nchis. Curentul principal de fluid proaspt este orientat ctre

capul pistonului prin nclinarea luminilor de baleiaj. Datorit profilului concav al capului

pistonului, curentul se ridic pe partea opus a cilindrului i se ntoarce apoi pe aceeai parte

a cilindrului pe care se gsesc luminile de baleiaj. O astfel de traiectorie a curentului principal

este favorabil mpiedicrii fenomenului scprii de fluid proaspt n mediul exterior i

prevenirii apariiei concentraiilor mari de gaze arse.

Fig. 2.13. Scheme ale modurilor de realizare a procesului de baleiaj [15]

Principial, sistemul de baleiaj n echicurent se realizeaz prin deplasarea fluidului

proaspt n cilindru numai ntr-o singur direcie i anume dup axa cilindrului. n acest scop,

organele de distribuie sunt plasate la ambele extremiti ale cilindrului, astfel nct printr-o

extremitate se evacueaz gazele de ardere, iar prin cealalt ptrunde fluidul proaspt.

Baleiajul mixt se numete acel tip de baleiaj n echicurent care se realizeaz att prin lumini

ct i prin supape. De obicei, la partea inferioar a cilindrului se prevd lumini de baleia j

(Fig. 2.13, c) aezate pe toat periferia cilindrului (se mrete unghiul seciune), iar la partea

superioar a cilindrului se prevd supape pentru evacuarea gazelor de ardere. Formarea

concentraiilor mari de gaze arse este exclus deoarece fluidul proaspt strbate succesiv

planurile normale pe axa cilindrului. Dislocarea gazelor de ardere se realizeaz treptat, cu un

grad redus de amestecare turbulent. Gradul de golire a cilindrului de gazele arse este foarte

ridicat, ajungnd la valori comparabile cu cele corespunztoare motoarelor n patru timpi.

ntruct supapa este acionat de o cam, legea de ridicare poate fi astfel controlat nct s

permit realizarea unei distribuii asimetrice de evacuare, care asigur condiia ISE-iILB0 i

permite astfel chiar o supraalimentare a motorului. Tipul de baleiaj menionat poate fi

modificat n sensul introducerii fluidului proaspt prin supap i evacurii gazelor de ardere

prin lumini. Soluia nu a dat rezultate, deoarece la deschiderea luminilor de evacuare gazele

de ardere fierbini vin n contact cu segmenii i provoac coxarea sau blocarea lor. Pentru a

mbuntii baleiajul cilindrului, dar mai ales pentru a asigura formarea eficient a

amestecului n timpul procesului de ardere, luminile de baleiaj se execut cu axele

tangeniale la o circumferin concentric cu cilindrul (Fig. 2.13, c), ceea ce genereaz o

micare n spiral a ncrcturii proaspete.

Diagrama procesului de baleiaj i fazele optime de distribuie

Se numete diagram de baleiaj, diagrama pe care se poate urmrii procesul

schimbului de gaze prin intermediul variaiei presiunii din cilindrul motorului n timp, n

funcie de unghiul de rotaie al manivelei (Fig. 2.14, a) sau de volum (Fig. 2.14, b).

Pe diagrama de baleiaj, procesul de schimb de gaze poate fi mprit n trei faze.

n prima faz, I, presiunea n cilindru scade continuu din momentul deschiderii

luminilor de evacuare (punctul d.e.), pn n momentul n care atinge valoarea minim

(punctul d). La motoarele rapide, presiunea minim din cilindru coboar mult sub presiunea

atmosferic (0,30,4 daN/cm2). Dup natura curgerii, aceast faz poate fi divizat n dou

perioade. Prima perioad corespunde regimului de curgere supracritic, iar a doua perioad

corespunde regimului de curgere subcritic.

Fig. 2.14. Diagrama procesului de baleiaj i fazele optime de distribuie [2].

Limita dintre cele dou regimuri, dintre care unul este critic (punctul C), se realizeaz

la presiunea de 2 daN/cm2 determinat de temperatura destul de nalt a gazelor arse din

cilindru (aproximativ 1000 K). De obicei, regimul critic se atinge nainte de deschiderea

ferestrelor de baleiaj.

n prima perioad, curgerea gazelor arse se efectueaz cu viteze ridicate, ceea ce

determin o accelerare a masei de gaze. n a doua perioad viteza se micoreaz. Este evident

faptul ca presiunea n cilindru continu s scad n a doua perioad cu toate c ferestrele de

baleiaj ncep s fie descoperite de piston (punctul d.b.). Dei experiena indic ptrunderea n

cilindru a ncrcturii proaspete chiar din momentul deschiderii luminilor de baleiaj, totui,

din cauza seciunii reduse, cantitatea de ncrctur proaspt este insuficient pentru a

provoca o cretere de presiune; la aceasta se adaug faptul c luminile de evacuare ofer n

aceast perioad o seciune mare de trecere. Gazele arse continu s se scurg cu viteze

relativ mari datorit diferenei de presiune dintre cilindru i colector. Ineria gazelor arse i, n

parte, apariia unui fenomen de ejecie contribuie la accentuarea depresiuni din cilindru.

Faza a doua (II) ncepe n apropierea punctului mort inferior i poate fi mprit la

rndul ei n dou perioade. n prima perioad (din punctul d pn n punctul a) presiunea n

cilindru ncepe s creasc datorit ptrunderii unei cantiti importante de ncrctur

proaspt; n a doua perioad presiunea oscileaz uor n jurul unei valori medii, numit

presiune de baleiaj, pb, ceea ce indic o stabilizare a procesului de baleiaj. Presiunea de

baleiaj este ceva mai mic dect presiunea ncrcturii proaspete refulat de suflant din

cauza rezistenelor gazodinamice introduse n calea curentului de luminile de baleiaj. La

sfritul fazei a doua se nchid luminile de baleiaj (punctul n).

n faza a treia, III, presiunea continu s oscileze n jurul aceleai valori medii

(presiunea pb). n cazul unei distribuii simetrice, n aceast faz are loc fenomenul de

postevacuare. O sporire a eficienei procesului de baleiaj se poate obine, n parte, dac

presiunea la sfritul acestei faze, pa, atinge valori ridicate.

2.5. Perspectivele progresului motoarelor n doi timpi

Recent s-au dezvoltat motoarele n doi timpi cu pistoane cu deplasare liber i se

concentreaz nc un larg efort de cercetare i optimizare a acestora [24]. Aceste motoare

prezint un potenial ridicat n ceea ce privete eficiena utilizrii combustibilului i emisiile

reduse ale motorului. n cazul motoarelor de acest gen, care au fost dezvoltate n serie mic

sau ca prototipuri, s-au nregistrat performane favorabile comparativ cu tehnologia

convenional ce exist la acest moment. n mod succint se prezint n continuare specificul

unui motor modular cu piston liber cu aprindere prin comprimare, cu versatilitate n domeniul

de aplicabilitate. Caracteristicile funcionale ale acestui tip de motor cu piston liber se disting

semnificativ comparativ cu cele ale motoarelor clasice, oferind o serie de avantaje n ceea ce

privete diminuarea procesului de formare a emisiilor i a eficienei utilizrii combustibililor,

datorit expansiunii rapide n procesul de destindere.

Ideea motoarelor cu pistoane libere presupune c micarea acestora nu este

dependent n raport cu rotaia unui arbore cu came, ca i la motoarele clasice, ci are loc n

mod liber ntre punctele extreme, fiind influenat doar de parametri gazelor i de fora

rezistent care acioneaz asupra lor. n figura 2.15 este prezentat un motor cu pistoane cu

micare liber.

Acest aspect ofer motorului cu

pistoane libere o serie de caracteristici

distinctive, cele mai importante constnd n

lungimea cursei unui proces i controlul

riguros. Cu ajutorul metodelor de control

electronic cu microprocesoare, motoarele cu

pistoane libere se dezvolt n direcia

reducerii emisiilor i a randamentului ridicat.

Cele mai importante aplicaii ale acestor

tipuri de motoare se regsesc n domeniul

autovehiculelor hibride.

Avantajele principale ale motoarelor

n doi timpi cu pistoane libere includ

urmtoarele aspecte: funcionarea fr

vibraii; costuri reduse cu producerea i

ntreinerea; pierderi sczute datorate

frecrii; simplitatea structurii mecanice;

pierderi sczute prin transfer de cldur;

emisii reduse de oxizi de azot; randament

ridicat la sarcini mari; flexibilitate n

alimentarea cu diferii combustibili; raport

de comprimare variabil; distribuie i injecie

variabil, controlat electronic.

Fig. 2.15. Motor n doi timpi cu pistoane cumicare

liber [24].

1-supap de evacuare; 2-lumini de baleiaj; 3-sistem de

injecie cu ramp comun; 4-cremalier; 5-camer de

presiune; 6-supape de control a camerei de presiune; 7-

suflanta; 8-turbin.

Prile principale ale motorului sunt: camera de ardere, camera de presiune i

mecanismul de preluare i transmitere a micrii. Mecanismul motor are partea mobil

format din pistoanele conectate rigid printr-o biel cu cremalier n legtur cu transmisia.

Pistonul se deplaseaz liber ntre cele dou puncte moarte ale cursei, cursa total instantanee

fiind un echilibru ntre fora de presiune a gazelor din cilindru i fora de rezisten.

Motorul funcioneaz dup un ciclu n doi timpi cu supralimentare i injecie direct

controlat electronic. Baliajul este realizat prin ferestrele din cmaa de cilindru, iar

evacuarea prin supapele din chiulas. Camera de presiune reprezint un cilindru cu incint

nchis controlat prin supape care restricioneaz presiunea aerului din interiorul acesteia.

Prin controlul deschiderii i nchiderii supapelor, respectiv al valorii presiunii, se creaz un

mecanism tampon pentru toate condiiile operaionale. Acest motor se folosete att n

varianta monocilindru, ct i modular prin asocierea mai multor astfel de uniti care s

funcioneze corelat. Sistemul de control electronic realizeaz optimizarea performanelor i

sincronizarea micrilor pistonului n vederea reducerii vibraiilor.

2.6. Concluzii 2

Prin analiza aspectelor principale privitoare la principiul de funcionare al motoarelor

cu arderele intern n doi timpi, precum i a realizrilor n acest domeniu cu privire la

soluiile cele mai interesante de implementare a unor idei inovatoare, s-a structurat suficient

de elocvent stadiul actual al evoluiei acestor aspecte particulare de ordin tehnic.

ncepnd cu prezentarea ciclului funcional al motorului n doi timpi, accentundu-se

asupra diferenelor substaniale dintre MAS i MAC. Dac la MAC admisia realizeaz doar o

aspiraie a aerului, fr vapori de combustibil, la MAS amestecul carburant este prezent

inclusiv n timpul procesului de admisie. S-a realizat de asemenea o comparaie n paralel a

ciclului teoretic i a diagramei reale a motorului n doi timpi. S-au trecut n revist realizrile

pn la acest moment n domeniul motoarelor cu ardere intern ce funcioneaz n doi timpi.

S-a prezentat motorul Orbital i variantele acestuia, subliniindu-se particularitile i

avantajele acestuia. Multiple companii de specialitate au dezvoltat propriile variante sau

soluii de organizare ale motorului n doi timpi, cu similitudini strnse n raport cu motorul

orbital.

n aceiai manier a abordrii detaliate prin analiz critic a fost tratat i studiat

motorul n doi timpi cu funcionare economic. n acest caz sunt analizate acele variante ale

motorului din aceast spe, care au ca obiectiv principal al funcionrii atingerea regimului

operaional economic.

De asemenea sunt prezentate noi variante de motoare, care n perioade mai recente i

chiar n prezent cunosc o rspndire semnificativ, precum sunt motoarele n doi timpi care

funcioneaz cu amestec stratificat.

Procesele operaionale alemotorului n general, ct i cele ale motorului n doi timpi,

sunt n strns interdependen cu performanele dezvoltate de acesta, motiv pentru care se

impune analiza detaliat a acestora, precum i a fazelor optime ale distribuiei.

n urma tuturor analizelor efectuate a realizrilor n domeniul motoarelor cu ardere

intern n doi timpi care echipeaz diferite tipuri de autovehicule, mopede i alte utilaje n

momentul de fa se impune prezentarea soluiei adoptate pentru situaia particular a lucrrii

de fa. Aadar n continuare se face o analiz a soluiei adoptate, precum i un calcul att

cinematic, ct i unul dinamic.

3. ANALIZA SOLUIEI CONSTRUCTIVE STUDIATE

3.1. Aspectele generale privind soluiile studiate

Prin calculul de traciune al autovehiculului se determin soluia constructiv a

motorului, la care se raporteaz performana fundamental pretins de consumator.

Fiind cunoscut puterea efectiv, proiectantul stabilete caracteristicile constructive

principale ale motorului, n raport cu normele de siguran n funcionare, consum minim de

material, consum specific efectiv de combustibil redus, durabilitate, cost de fabricaie,

deservire i reparaie ct mai redus, iar confortabilitate sporit. Proiectantul ia n considerare

condiiile de serviciu ale autovehiculului (funcionarea n condiii de serviciu sever

micoreaz durabilitatea, pretinde uleiuri superioare, mrete periodicitatea schimbului de

ulei etc.) nivelul calificrii personalului care exploateaz, deservete sau repar motorul i

stabilete construcii mai simple, mai robuste n dauna performanelor de greutate,

randament, sileniozitate, sau acioneaz n sens opus. n faza de proiectare se are n vedere

resursa de combustibil i calitile acestuia. Asemenea considerente impun s se aleag o

soluie constructiv fezabil de motor. Prin variant constructiv a motorului se nelege

ansamblul tuturor soluiilor de principiu care ofer motorului o individualitate determinat.

Soluiile de principiu se refer la: 1) procedeul de aprindere; 2) numrul de timpi; 3) numrul

i aezarea cilindrilor; 4) gradul de solicitare a motorului; 5) procedeul de rcire; 6)

organizarea mecanismului de distribuie; 7) camera de ardere; 8) schema dinamic a blocului

cilindrilor; 9) materialele pentru principalele organe etc. Asemenea soluii de principiu

proiectantul le impune n concordan cu destinaia motorului, cu condiiile concrete de

fabricaie i exploatare, cu cunotinele despre procesele energetice i despre nivelul

solicitrilor mecanice i termice din piesele componente, cu tendinele generale, care se

manifest n calculul construciei i fabricaiei.

Formula constructiv a unui motor este definit n proiectul tehnic al motorului,

inndu-se cont de urmtoarele aspecte principale:

tipul motorului: motor cu aprindere prin scnteie (M.A.S.);

numrul de timpi: motor n doi timpi;

numrul de cilindri: 4;

aezarea cilindrilor care influeneaz dimensiunile de gabarit i masa

motorului.

n figura 3.1 se prezint comparativ dimensiunile de gabarit ale unor motoare de

aceeai putere, cu cilindrii n linie i n V.

Fig. 3.1. Comparaie ntre motoare de aceeai putere cu cilindrii n linie (1) i cilindri n V (2) [5]

Reducerea lungimii motorului cu circa 30% i a masei cu 25%, permite totodat

mrirea rigiditii arborelui cotit, diminuarea pericolului de apariie a fenomenului de

rezonan i n unele cazuri eliminarea amortizorului de vibraii torsionale.

3.2. Aspectele de calcul matematic privind soluia studiat

Se propune un calculul al unghiului-seciune i a timpului-seciune a luminilor de

baleiaj. Noiunile de unghiseciune (US) i timpseciune (TS) se regsesc n literatura de

specialitate, fiind folosite pentru aprecierea cantitii de fluid ce traverseaz orificiile

specifice de distribuie. Pentru calculul acestor mrimi trebuie cunoscute unghiurile de

deschidere i nchidere ale luminii de baleiaj. Prin calcul s-au stabilit nlimile i limile

luminilor de baleiaj i evacuare (cu seciune dreptunghiular):

Lumini nlime [mm] Li