--Tema 3 · TEMA 3 – Enginyeria i Màquines Tèrmiques Components del motor –Components Fixes...

TEMA 3 – Enginyeria i Màquines Tèrmiques

-- Tema 3 Tema 3 --

1Laboratori de Màquines Tèrmiques©

-- Tema 3 Tema 3 --Motors Alternatius de Motors Alternatius de Combustió interna 4TCombustió interna 4T

Alternative Internal Combustion Engines (4 stroke)


� Cicle Termodinàmic

� Components del motor

� Formes constructives

� Paràmetres fonamentals

Índex

Thermodynamic Cycle

Engine Components

Constructive forms


� Paràmetres fonamentals

� Diagrama de funcionament

� Fase Oberta

� Fase Tancada

� Sistemes dels MACI

Fundamental parameters

Working Diagram

Open Phase

Closed Phase

ICE Systems


Cicle Termodinàmic Thermodynamic Cycle

Ciclo Otto Ciclo DieselPP

2

3

4

Qe

Qs

PPP

2 3

4

Qe

Qs


�Aportació de calor instantània

�Combustible en cambra antes de PMS

�Encesa per guspira -> Bugies

�Barreja estequiomètrica (dosatge)

�Regulació Càrrega: ηvolumètric

�Aportació progressiva de calor

�Injecció en cambra

�Equips d’alta pressió

�Barreja pobre

�Regulació Càrrega: dosatge

VV

1

VVV

1

1ηotto = 1-

(k-1)ε

k1 (V3/V2) -1

ηDiesel = 1-(k-1)ε k ((V3/V2)-1)

K = Cp / Cv

Instant heat input

Fuel in chamber before TDC (Top Dead Center)

Spark ignition (spark plug)

Stoichiometric mixture (dosing)

Load regulation: ηvolumetric

Progressive heat input

Injection in chamber

High pressure devices

Poor mixture

Load regulation: dosing



Ciclo Otto Ciclo Diesel

�Treball teòric (+)�Pèrdues de calor (-)�Pèrdues de bombeig (-)

PP

2

3

4

Qe

Cicle Indicat Qe

2 3

4

PPP


VV

1

2 4

Qs

Wteòric – Wpèrdues – Wbombeig – WmecànicRendiment Global =

PCICOMBUSTIBLE

Qs

1

4

VVV

Global performance



MACI 4TADMISIÓ COMPRESIÓ

PMS

PMIc

0 1 2

P

V

P

V

1

2

3

4

Qe

Qs

0


EXPANSIÓ ESCAPAMENT

0 1 2

4 0

VV


Components del Motor Engine Components



Components del Motor Engine Components

7Laboratori de Màquines Tèrmiques© BMW-M3, V8, 4000 cm3,32V, 420 CV


Components del motor – Components Fixes Fixed components

Bloc Motor: és la peça que allotja els cilindres, amb els pistons i les bieles, i que suporta el cigonyal. Elbloc està tancat per la part superior am una o varies culates, i per la part inferior, pel carter inferior o d’oli.El material amb el que està construït pot ser de ferro (fundició gris o fundició amb grafit), d’alumini o demagnesi (reforçat amb alumini).

Engine Block: piece that houses the cylinders, pistons, piston rods and holds the crankshaft. The upper part is closed with one ormore cylinder heads, and the lower with the crankcase. It can be made of iron (soft or graphite casting), aluminium or magnesium(reinforced with aluminium).


Bloc d’un BMW serie7 de 8 cilindres en V, amb 367 CV i una cilindrada de 4800 cm3.

Bloc d’un BMW serie7 de 6 cilindres en línia amb 258 CV i una cilindrada de 3000 cm3.



Culata: és la peça que cobreix el bloc motor. S’uneix mitjançant cargols o espàrrecs per la part superior.Conté els conductes pels quals entren i surten els gasos al motor, les canalitzacions per la circulació delslíquids refrigerant i lubricant. A més s’allotja el mecanisme de distribució. També ha de suportar els gransesforços tèrmics. Actualment per la fabricació s’utilitza normalment aleacions d’alumini aprofitant laconductivitat tèrmica.

Cylinder head: covers the engine block. It is united through screws or studs from the upper part. Contains the tubes that carry input andoutput gases of the engine and the channels for the circulation of the coolant and lubricant. It houses the distribution mechanism aswell. Ithas to withstand great thermal stress too. Nowadays, they are made of aluminium alloys to take advantage of its thermal conductivity.


Una de les culates d’un Ferrari F430 Spider F1, 8 cilindres en V amb 4 vàlvules per cilindre amb 490 CV i

una cilindrada de 4308 cm3.



Head Gasket: Sheet of deformable material that lies between the engine block and the cylinder head toensure that the combustion chamber is sealed.

Junta Culata: Làmina de material deformable que s’interposa entre elbloc de cilindres i la culata per assegurar la estanquitat a la càmera decombustió.


Junta Culata Junta Culata “cremada”

Culates i les seves respectives juntes



Col�lector d’admissió: peça per la qual circula l’aireabans d’entrar en els conductes d’admissió de laculata. La forma i volum del col�lector determinen lavibració que pren l’aire al endinsar-se al motor.

Col�lector d’escapament: recull els gasosd’escapament que surten dels cilindres i elscanalitza fins al catalitzador. És un tramat de tubsunits al bloc motor, tants com cilindres en te elmotor, que s’uneixen al final en un sol tub.

Admission pipes: piece that carries the air before entering theadmission pipes of the cylinder head. The shape and volume of thesewer determines the vibration that the air undergoes whenentering deep inside the combustion chamber.

Exhaust pipes: they carry the exhaust gases that come out fromthe cylinders and channel them to the catalyst. There is one pipefor each cylinder, and they merge to become one tube.


BMW-M3, V8, 4000 cm3,32V, 420 CV

BMW 750i, 4800 cm3,V8, 367 CV

BMW 316ti Compact, 1800 cm3,115 CV


Components del motor – Elements Mòbils Mobile components

Cigonyal: és un element estructural. A través de les bieles, transforma el moviment alternatiu dels pistons en moviment rotatiu, quedesprés passa a les rodes a través de la transmissió. El seu material sol ser acer o aleacions d’acer amb crom, molibdé i vanadi.Normalment son forjats en una sola peça. La seva configuració i forma varia en funció dels cilindres i la seva disposició.

Monyons de recolzament

Monyons per subjectar les

Forats de lubricació

Crankshaft: it’s a structural element. With the help of the connecting rods, it converts the piston’s alternative movement into rotative movement, and then ittransmits that movements to the wheels through the transmission. It is usually made of steel or steel alloys with chrome, molybdenum and vanadium. They arenormally forged in only one piece. Its configuration and shape vary depending on the cylinders and their disposition.


Braços

subjectar les bieles

Forats per equilibrar

BMW-M3, V8, 4000 cm3,32V, 420 CV



Pistó: És la part mòbil de la càmera de combustió formada pel cilindre i la culata. Te tres missions:comprimir la mescla, transmetre la força de les explosions que provoquen el seu moviment dealternatiu al cigonyal a través de la biela i també impedeix que els gasos cremats en la combustiópuguin filtrar-se cap al càrter i que tampoc ho pugui fer l’oli. Això s'aconsegueix mitjançant elssegments. Normalment són d’aleacions especials d’alumini, per aconseguir lleugeresa, duresa ibona conductivitat tèrmica. Han de suportar altes pressions, elevades temperatures i estansotmesos a un gran desgast per fricció.


Piston: Mobile part of the combustion chamber comprised of the cylinder and the cylinder head. It has 3objectives: to compress the mix, to transmit the force of the explosions that causes its alternative movement to thecrankshaft through the piston rod, and it also prevents the leaking of the exhaust gases to the crankcase and theleaking of oil to the combustion chamber. That is achieved through the segments. They are usually made ofspecial aluminium alloys to obtain lightness, hardness and good thermal conductivity. They have to withstand highpressures and temperatures and are subject to great friction wear.


Biela: Uneix el pistó amb la corresponent manovella del cigonyal. Es poden distingir tres parts enuna biela. El peu és la part més estreta, i en la qual s’introdueix el casquet on després s’introduiràel buló, un cilindre metàl�lic que uneix la biela amb el pistó. El cos de la biela és la part central, inormalment te una secció en forma de doble T. El cap és la part més ampla, es composa de duesmeitats, la primera unida al cos y la segona denominada ‘sombreret’, que s’uneix a la primeramitjançat cargols. Entre aquestes dues meitat s’allotja un casquet a pressió que es el que envolta ala corresponent monyó en el cigonyal. Les bieles són d’acer temprat mitjançat forja. Alguns motorsde competició les porten de titani i s’està experimentant amb fibra de carboni.



de competició les porten de titani i s’està experimentant amb fibra de carboni.

Connecting Rod: Connects the piston with its corresponding crank of the crankshaft. Three different parts aredistinguishable in a connecting rod. The foot is the slimmest part, in which the cap that holds the piston pin isintroduced. The piston pin is a metallic cylinder that connects the piston to the connecting rod. The body is thecentral part, and usually has a double T section. The head is the widest part, comprised of two halves, the firstconnected with the body, and the second called hat, joined with the first one through bolts. Between those twoparts, a cap under pressure is inserted, that surrounds the crank of the crankshaft. The connecting rods are madeof tempered steel through forge. In some competition engines they are made of titanium and there are someexperiments with carbon fiber.



Peu de la biela

Cos de la biela

Foot

Body


Cap de la biela

Cargols d’unió Falda del pistóBuló

Segment Cap del pistó

Pistó per Motor d'Encesa per Compressió

Pistó per Motor d’Encesa

Provocada

Body

Head

Piston pin

Piston of a compression

ignition engine

Piston of a Sparkignition engine

Piston head

Union screws Piston skirt


Components del motor – elements de la distribució

Distribució: Conjunt de peces que s’encarreguen de regular l’entrada i sortida dels gasos alcilindre. Consta d’una corretja dentada o una cadena, engranatges que connecten el cigonyal ambun arbre de lleves, encarregat d’obrir i tancar les vàlvules que tanquen els orificis dels cilindres. Enl’actualitat casi tots els motors tenen els arbres de lleves en la culata, i poden actuar directamentsobre la vàlvula a través d’unes varetes empenyedores, o es fa amb unes vàlvules que son en unaltre plànol diferent al de l'arbre de lleves anomenats balancins.

Distributionelements


Distribution: Group of pieces that have the objective of regulating the entrance and output ofgases to the cylinder. It is comprised of a serrated belt or a chain, mechanisms that connect thecrankshaft with the camshaft, which opens and closes the valves that enclose the cylinders.Nowadays, nearly all the engines have the camshaft at the cylinder head, and can operate directlyover the valves through some pushing sticks, or it is made through valves that are located in adifferent plane than the camshaft.


Arbre de lleves: És l’element del motor que s’encarrega d’obrir i tancar les vàlvules d'admissió ed’escapament segons els intervals programats en el diagrama de distribució. Es tracta d’un eix oarbre realitzat en acer forjat dotat de lleves o excèntriques que accionen les vàlvules. Gira sobreuns rodaments específics mitjançant una connexió amb el cigonyal. Està sincronitzat, cada duesvoltes que dona el cigonyal l’arbre de lleves en dona una sola.

Components del motor – elements de la distribució Distributionelements

Camshaft: Engine element which purpose is opening and closing the admission and exhaust valves according tothe time intervals programmed in the distribution diagram. It is a forged steel axle equipped with rocker arms thatactuate the valves. It turns around some specific mechanisms through a connection with the crankshaft. It is


Vàlvules: és l’element encarregat d’obrir i tancar les canalitzacions per on entra l’aire d'admissió iper on surten els gasos d’escapament del cilindre. Estan fetes d’acer. Les d’escapament podenarribar a una sol�licitació tèrmica d’uns 800°C. Les vàlvules d'admissió són sempre més grans queles d’escapament, perquè és més difícil introduir l’aire al cilindro que no pas treure’l.

actuate the valves. It turns around some specific mechanisms through a connection with the crankshaft. It issynchronized, for every two turns that the crankshaft performs, the camshaft only does one.

Valves: element responsible of opening and closing the holes where the gases enter and leave the cylinder. Theyare made of steel. The exhaust ones can reach a thermal solicitation of over 800ºC. The admission valves arealways larger than the exhaust ones, because it is harder to introduce the air inside than to make it leave.


Components del motor – elements de la distribució

Engranatge de l’arbre de lleves (admissió)

Engranatge de l’arbre de lleves (escapament)

Pistó

Arbres de lleves

Molles

Admission camshaftmechanism

Exhaust camshaftmechanism

Camshaft

Piston

Distributionelements

18Laboratori de Màquines Tèrmiques© BMW-M3, V8, 4000 cm3,16V, 420 CV

Cigonyal Transmissió per cadena

Molles

Vàlvules

semicons “Empenyedors”

Cazoleta, per la fixació de la molla

Retens d’oliCrankshaft

Chain transmission

Valves

Springs

Semicones Tappets

Oil seals


Components del motor – tipus de distribució Distribution types

Sistemas OHV (arbre de lleves al bloc)

Àrbre de lleves

DOHC (arbre de lleves a la culata)Overhead valve Dual Overhead cam


Arbre de lleves


Formes Constructives Constructive forms

� Arquitectures Policilíndriques:

� Motors en Línia:

� Construcció senzilla

Polycylindric architectures

Line engines

Simple construction


� 4 cilindres: cigonyal en un pla

� 6 cilindres: bon equilibrat, cigonyal complexa

4 cylinders: crankshaft in a plane

6 cylinders: good balancing, complex crankshaft

局и


Formes Constructives Constructive forms


�Motors en V:

� Bon equilibrat

� Compacitat


V engines

Good balancing


� Mecànica complexa (distribució, 2 culates)

� Motors bòxer:

� Motors en V a 180º

� Bon Refrigeració

� Baix cdg

Compacity

Complex engine (distributor, 2 cylinder heads)

Boxer engines

V engines at 180º

Good cooling

Low mass center

䳀и


Formes constructives dels MACI segons DIN 1940 i H.Maass


渐ъ




渐ъ


Paràmetres fonamentals Fundamental parameters


� Cilindrada Unitària ↑↑↑↑ ⇒⇒⇒⇒ Masses alternatives ↑↑↑↑

máx. RPM ↓↓↓↓

Superfície / Volum ↓↓↓↓

Pes / Potencia ↓↓↓↓

Polycilindrical alrchitectures

Capacity per cylinder Alternative masses ↑↑↑↑

Max RPM ↓↓↓↓

Surface/Volume ↓↓↓↓


Pes / Potencia ↓↓↓↓

Vibracions cigonyal ↑↑↑↑

� Requeriments en funció de la finalitat:

� Motocicletes: Pes baix, tamany reduït.

� Automòbils: Limitacions dimensionals.

� Camions: Fiabilitat y accessibilitat.

� Estacionaris: Fiabilitat, manteniment, factibilitat tècnica.

Weight/Power ↓↓↓↓

Cranckshaft vibrations ↑↑↑↑

Requirements according to purpose

Motorbikes: Low weight, low size

Cars: Limited dimensions

Trucks: Reliability and accessibility

Stationary: Reliability, maintenance, technical feasibility



� Motors en Línia:

� Construcció senzilla


Line engines

Simple construction



� 4 cilindres: cigonyal en un pla

� 6 cilindres: bon equilibrat, cigonyal complexa

4 cylinders: crankshaft in a plane

6 cylinders: good balancing, complex crankshaft



�Motors en V:

� Bon equilibrat

� Compacitat


V engines

Good balancing



� Mecànica complexa (distribució, 2 culates)

� Motors bòxer:

� Motors en V a 180º

� Bon Refrigeració

� Baix cdg

Compacity

Complex engine (distributor, 2 cylinder heads)

Boxer engines

V engines at 180º

Good cooling

Low mass center

犠ъ


De Posició:

� PMS: Punt Mort Superior

� PMI: Punt Mort Inferior

Linials (mm):

� C: Cursa

� L: Longitud Biela

� D: Diàmetre del pistó


TDC: Top Dead Center

BDC: Bottom Dead Center

Position

Linear (mm)

Stroke

Piston rod length


� D: Diàmetre del pistó

Superficials (mm2):

� Sp: Secció de pistó

� Scc: Superfície de la Cambra de Combustió

Volumètrics (mm3):

� VCIL: Cilindrada (volum desplaçat pel pistó)

� VPMS = VCC : Volum Cambra de Combustió

� VPMI: Volum PMIRelacions:

�λ = C / 2L

� k = C / D (Quadrat=1, Superquadrat<1, Allargat>1)

Piston diameter

Surface

Piston section

Combustion chamber surface

Volumetric

Cubic capacity (volume displaced by the piston)

Combustion chamber volume

Volume BDC

覠ы


Operatius:

� vp : Velocitat mitja del pistó

� n: regim de gir

� ε = VPMI / VCC : Relació de Compressió

� N = nombre de cilindres

Termodinàmics:


Operative

Piston’s average speed

Rotative speed

Compression ratio

Number of cylinders


Termodinàmics:

� Pressions mitjanes: Treball / Vcil

�pmt Pressió Mitjana Teòrica: Treball cicle teòric / Vcil

�pmi Pressió Mitjana Indicada: Treball cicle real / Vcil

�pme Pressió Mitjana Efectiva: Treball cicle efectiu / Vcil

�pmf Pressió Mitjana de Fregament: Treball dissipat fregament / Vcil

�pmi = pme + pmf

�Potència / Sp: Càrrega tèrmica del motor

Thermodynamic

Average pressures: Work / Vcyl

Theoretical average pressure: Theoretical cycle work / Vcyl

Specified average pressure: Real cycle work / Vcyl

Effective average pressure: Effective cycle work / Vcyl

Friction average pressure: Dissipated friction work / Vcyl

Power / SP: Thermal engine load


� Potència = Parell � n � (2π/60)

� Potència: [W]

� n (règim de gir) : [min-1]

�Parell : [Nm]

� Consum específic (derivats del petroli) = ce = mcombustible / Wefectiu

� ce: g/kWh


Power = Momentum � n � (2π/60)

Specific consume (petroleum derivates)


� ce: g/kWh

� ηefectiu = 1 / (PCI � ce) = Wefectiu / PCI

� PCI: 42,6 ÷ 43,1 MJ/kg

massa d'aire fresc introduït al cilindre� ηvolumètric =

massa d'aire corresponent a la cilindrada a pressió atmosfèrica

� Potència (concreta para un 4t)= ηvolumètric � PCI � F � ηefectiu � Vcil�DensidadAdimison � n / 120

� F (dosatge): mcombustible / maire

Mass of fresh air introduced to the cylinder

Mass of air corresponding to the capacity of the cylinder at atmosferic pressure

镐ы


vp : Velocitat Mitja del pistóTipus de Motor vp máx [m/s]

Motors grans Diesel 2T 6-8

Motors marins 7-10

Motors Diesel ràpids 8-12

Motors Otto 4T turisme 8-12

Motors Otto 4T turisme altes prestacions 12-17



Motors Otto 4T turisme altes prestacions 12-17

Motors Otto de competició 17-29

Tipus de Motor Ce [g/kWh]

Motors grans Diesel 2T 180-195

Motors 4T Diesel camió 190-200

Motors Diesel automòbil (Injecció Directa) 200-220

Motors Diesel automòbil (Injecció Indirecta) 240-260

Motors 4T Otto automòbil 240-300

Motors 2T Otto automòbil 300-400

ce = mcombustible / Wefectiu: Consum específic


Diagrama de funcionament del motor Engine Working diagram

Closed phase


� S'estudiarà de forma independent cadascuna d'aquestes fases

Open phase

䭐э


Fase Oberta Open phase

Rendiment volumètric

Definició: Massa de mescla fresca que entra en el cilindre dividit per lamassa de mescla que entraria si aquesta omplís tot el volum desplaçat pelpistó i estigués a la densitat de l’admissió abans de la papallona (a nivelldel filtre d’aire)

Volumetric efficiency


Representatiu de l'eficiència del motor com a bomba volumètrica(papallona + col�lector + vàlvula + cilindre)

Definition: Mass of fresh mixture that enters the cylinder, divided by the mass of mixture that would enter if it filled all the volume displaced by the piston and was at the admission density before the butterfly valve (at the level of the air filter).

Representative of the engine’s efficiency as a volumetric bomb(butterfly + collector + valve + cylinder)

䭐э


Regulació de la potència

i

nVFPCIPotenciaciladmev

2·

60······ ρηη=

ηe: Rendiment efectiu del motor


Effective efficiency of the engine

Power regulation


e

PCI: Poder calorífic del carburantF: Dosatge de la mescla: massa de carburat / massa d’aireηv: Rendiment volumètricρadm: Densitat de l’aire a l’admissió abans de la papallonaVcil: Cilindradai: Nombre de temps del motor (2 ó 4)n: Règim de gir [rpm]

Per a un motor i règim donats, els únics termes que poden variar són:F, ηv i ρadm

Calorific power of the fuel

Dosing: fuel mass / air mass

Volumetric efficiency

Air density before the butterfly

Cubic capacity

Number of strokes of the engine (2 or 4)

Rotative speed

For a certain engine and regime, the only terms than can vary are:


F → Motor Diesel:•La potència és regulada per la F (dosatge): la quantitat d’aire absorbida és sempre lamateixa i es va variant la quantitat de combustible que es barreja amb aquest aire.•La barreja es fa dintre del cilindre i està íntimament lligada amb la combustió (amesura que es fa la barreja es fa la combustió)

i

nVFPCIPotenciaciladmev

2·

60······ ρηη=



F → Diesel Engine:•Power is regulated with F (dosing): the absorbed air amount is always the same, and what iscontrolled is the amount of fuel injected.•The mix takes place inside of the cylinder and is tied with the ignition (the ignition takes place atthe same time the mix is being made).

э


ηηηηv → Motor Otto:•La potència és regulada pel rendiment volumètric (ηv ): s’introdueix una pèrdua decàrrega (estrangulació) en l'admissió de valor variable (papallona); d’aquesta maneraes varia la massa de càrrega aspirada.•En el cilindre entra sempre una barreja d’aire i combustible amb una composiciópropera a l’estequiomètrica. La preparació de la barreja es fa en el col�lectord’admissió. Hi ha dues tècniques:

•Carburació: sistema purament “mecànic - hidràulic” que ara ha quedat en desús.



•Carburació: sistema purament “mecànic - hidràulic” que ara ha quedat en desús.•Injecció: sistema electrònics que permet una millor precisió en la preparació dela mescla. Per un costat consisteix en un aparell de mesura del cabal d’aire, i peraltre costat d’un altre aparell de subministrament de carburant.

ηηηηv → Otto Engine:•Power is regulated with the volumetric efficiency (ηv ): a pressure drop is introduced at the admission (butterfly) ofvariable value; that way, the mass of sucked air is controlled.•A mix of air and fuel always enters the cylinder with a composition near the stoichiometric. The mixture preparationis made before the admission pipe. There are two techniques:

•Carburetion: Hydraulic-mechanic system that is nowadays outdated.•Injection: electronic system that allows a better precision in the preparation of the mix. Consists of twodevices: one that measures the volume of air and one that controls the flow of fuel.

쀰э


ρρρρadm → Sobrealimentació:

Per a augmentar la potència d’un motor donat (sense fer gaires canvis en laseva configuració) es pot fer el següent raonament:1. La quantitat d’aire aspirada per un motor ve donada per la seva

cilindrada2. Si incrementem la densitat de l’aire a l’admissió, incrementem també la

massa d’aire aspirada pel motor.3. Si hi ha més aire, també hi ha més carburant que pugui ser cremat.



4. La pme augmenta, doncs l’aportació de calor al cicle és més gran (i elrendiment és el mateix)

5. La potència desenvolupada pel motor augmenta

To increase the engine’s power (without changing too much its configuration), the followingreasoning can be done:1. The amount of air sucked up by the engine is determined by the cubic capacity.2. If we increase the air’s density at the admission, we increase the mass of air sucked

up by the engine.3. If there is more air, then there is more fuel to burn.4. The pme increases, since the fuel intake of the cycle is bigger (and the efficiency is

the same).5. The power developed by the engine increases.



La solució més utilitzada és la turbosobrealimentació. Consisteix en:

Una turbina centrífuga de recuperació d’energia a l’escapament(gasos a elevada temperatura i amb un certa pressió). L’energiarecuperada es donada a un compressor centrífug, que comprimeixl’aire (o barreja) a l’admissió.


The more widely used solution is the turbocharger. It consists in:

A centrifugal turbine that recovers energy at the exhaust (high temperature gases at acertain pressure). The energy recovered given to a centrifugal compressor, thatcompresses the admission air (or mix).

赠ю




AAA → Abans Obertura AdmissióRCA → Retard Tancament AdmissióAAE → Abans Obertura EscapamentRCE → Retard Tancament Admissió


Cotes de distribució

Motor Otto 4T

AAA RCA AAE RCE

R5 GTL 12º 48º 52º 8º

R5 Alpine 30º 72º 72º 30º

1

2



Motor Diesel

AAA RCA AAE RCE

MEC Atm 10º 35º 45º 10º

1 2

3

3

趰ю


Fase Oberta – vàlvules Open phase - Valves

Criteris:-La prioritat de secció gran és per a la vàlvula d’admissió (és més fàcil extreure els fums que omplir el cilindre de barreja)

The bigger section priority is for the admission one (it’s easier to extract the gases than to fill the cylinder)


-Duplicar una vàlvula té dos avantatges:

-Facilitar el transvasament

-Reduir la inèrcia (es pot augmentar el règim de gir)

-Possibilitats: 2, 3, 4... fins a 8 vàlvules per cilindre.

Duplicating a valve has two advantages:

Makes loading the cylinder easier

Reduces inertia (can increase rotative speed)

Possibilities: 2, 3, 4iup to 8 valves per cylinder.


Vàlvules

2 vàlvules per cilindre

+ Construcció senzilla

- Bugia no centrada

- Renovació de la càrrega in satisfactòria

4 vàlvules per cilindre (2 adm. i 2 esc.)

+ Millor renovació de la càrrega a règim elevat

+ Vàlvules encara més lleugeres → n↑

+ Bugia centrada

2 valves per cylinder

Simple construction

Spark plug not centered

Unsatisfactory load renovation at high regimes


Better load renovation at high speed regimes

Even more lighter valves

Spark plug centered



a règim elevat

3 vàlvules per cilindre (2 adm. i 1esc.)

+ Millor renovació de la càrrega a règim

elevat

+ Vàlvules més lleugeres → n↑

- Bugia no centrada

- Cost elevat

Els estudis fets mostren que l’aportació obtinguda no és gaire espectacular. Hi ha interferències entre el corrents de les vàlvules, i l’aportació de la 3ª vàlvula d’admissió no és gaire significatiu.

Unsatisfactory load renovation at high regimes


Better load renovation at high regimes

Valves lighter

Uncentered spark plug

Spark plug centered

Expensive

5 or more valves per cylinder (up to 5, 6 or 8 exist)

Studies show that the improvement is not spectacular. There are interferences between the flows of the valves, and the constribution of the third valve is not significant.

5 o més vàlvules per cilindre (existeixen 5, 6 i 8)

踀ю


Fase Oberta (refrigeració de les vàlvules) Valve cooling

25%�Nº Vàlvules ↑ ⇒ ηvolumètric a altes rpm ↑

ηcombustió a baixes rpm ↓Centratge de bugia / injectorCostes ↑

� Mida de les Vàlvules ↑ ⇒ Refrigeració ↓


75%

0

50

100

150

200

250

300

350

10 12 14 16 18 20

Superficie entrada Superficie refrigeració

Diàmetre vàlvula


Geometria de l'admissió

Decisiva per emplenar el motor.

Dos efectes:

-Efecte inercial: degut a l'inèrcia del moviment de la columna d’aire. Es manifesta

sobretot a règim baix.


Admission geometry

Decisive to fill up the engine

2 effects:

Inertial effect: caused by the air column. It is specially important at low regimes.


-Efecte d’ones: degut a la propagació de les ones de pressió i depressió generades

per les obertures i tancament de vàlvules. Es manifesta sobretot a règim elevat.

Resultat:

-n↓ la geometria aconsellada és la de conductes llargs i estrets

-n↑ la geometria aconsellada és la de conductes curts i amples

Sistemes d'admissió variable

Pretenen la optimització a baix i alt règim amb una transició a règim mitjà.

Wave effect: caused by the propagation of the pressure and vacuum waves that appear when opening/closing the valves. Specially important at high speed regimes.

Result:

At low speed, the advisable geometry is long and narrow channels

At high speed, the advisable geometry is short and wide channels

Variable admission systems

Expected to be optimized for low and high regimes with a transition at medium regimes.


Admissió variable (Valvetronic BMW) Variable admission


蹰ю


Fase Tancada (Otto) Engloba la compressió + combustió + expansió

Combustió normal

La combustió és iniciada per una guspira elèctrica (bugia) i després consisteix en la propagació d’un front de flama a través de la mescla fresca.

Paràmetres que influeixen en la combustió

- Forma de la cambra: es busquen configuracions de cambra compacta

Closed phase (Otto)


- Forma de la cambra: es busquen configuracions de cambra compacta- Nivell de turbulència: accelera el procés de combustió- Posició de la bugia: determina el trajecte que haurà de fer el front de flama per arribar a cremar tota la barreja- Avanç de l’encesa: determina el “calat” de la combustió en relació al moviment del pistó

Normal combustion

The ignition is started by an electric spark and then it consists on the propagation of a flame front through the fresh mix.

Parameters that influence the combustion:

- Shape of the chamber: compact configurations are more suitable.- Turbulence level: acelerates the combustion process.- Spark Plug position: determines the course of the flame front to burn the entire mix.- Spark advance: determines the fitting of the combustion related to the piston movement.

ц


Fase Tancada (Otto) Engloba la compressió + combustió + expansió

Combustió anormal

Picat (“Detonació”): consisteix en l'autoignició de la fracció final de la càrrega abans de l’acabament de la combustió: genera unes vibracions dels gasos que en tradueixen en pulsacions de P i T. Això implica sol�licitacions altes.

Encesa superficial: un punt calent de la cambra de combustió es converteix en focus d’inici de la combustió (és crític quan la combustió s’inicia abans de temps)

Closed phase (Otto)


Abnormal combustion

Knock (“Detonation”): consists in the auto-ignition of the final charge fraction before the combustion ends: causes the vibration of the gas that translates in P and T pulses. This implies higher solicitations.

Surface ignition: a hot point inside the combustion chamber turns into a focus of ignition start (critical when the ignition begins before its time).

Ｐц


Fase Tancada (Diesel)

La cambra de combustió està plena d’aire comprimit durant la cursa ascendent del pistó. El carburant és injectat una mica abans del final de la compressió mitjançant un sistema d’injecció

Combustió dividida en tres fases:

1.Temps de retard: correspon al temps necessari per barrejar el carburant amb l’aire (retard físic) més el temps necessari a l'autoignició d’una barreja combustible (retard químic)2.Combustió de premescla (o període de combustió ràpida): la primera porció que es crema afavoreix la

Engloba la compressió + combustió + expansió

Closed phase (Diesel)


2.Combustió de premescla (o període de combustió ràpida): la primera porció que es crema afavoreix la combustió ràpida de la resta de carburant que ja està dintre de la cambra. Aquesta fase condiciona el soroll i la producció de NOx

3.Combustió de difusió (o combustió controlada): es va cremant el carburant a mesura que aquest troba aire per barrejar-se

The combustion chamber is filled with compressed air during the ascending piston stroke. The fuel is injected just before the end of the compression through an injection system.

Combustion divided into 3 phases:

1.Delay time: time needed to mix fuel with air (physical delay) plus the time needed to autoignite the mix (chemical delay)

2.Pre-mix ignition (or quick combustion time): the first part that burns favours the quick combustion of the rest of the fuel that is

already inside the chamber. That phase influences noise and NOx production.3.Diffusion combustion (or controlled combustion): fuel burns gradually as it finds air to mix with.

쀰э


Fase Tancada (Diesel)Closed phase (Diesel)


Llei d'alliberació d'energia

Sistema d'injecció Diesel

뀀ч


Fase Tancada (cambras de combustió) Closed phase (combustion chambers)


耀'


Sistemes dels MACI – Encesa (Otto) ICE systems - Start (Otto)

Bugia: Proporciona la guspira que encén el combustible en els motors Otto. Es composa dún cos d’acer que és el que està en contacte amb el bloc motor, acabant en un elèctrode de massa. El elèctrode central sol ser de coure, níquel o platí, i està separat del cos de la bugia metjançant un material aïllant, normalment ceràmic. Els factors importants són: la separació entre elèctrodes i el control de la temperatura. Normalment, un motor té una bugia per cada cilindre. Alfa Romeo té motors amb dos bugies per cilindre, per millorar la combustió de la mescla.

Existeixen altres bugies denominades escalfadors, que s’utilitzen als motors Diesel per augmentar la temperatura al cilindre durant l’arrencada en fred.

Spark plug: Provides the spark that ignites the fuel in Otto engines. It is composed of a steel body that’s in contact with the engine block, and ends in an earth electrode. The central electrode is usually made of copper, nickel or platinum, and is separated from the plug’s body by means of an isolating material, normally ceramic. The most important factors are: space between electrodes and temperature control.


Esquema d’encesa per ruptor

means of an isolating material, normally ceramic. The most important factors are: space between electrodes and temperature control. Normally, an engine has a spark plug for each cylinder. Alfa Romeo has engines with two spark plugs per cylinder, to improve the ignition of the mix.

Other type of spark plugs exist, called heaters, that are used in Diesel engines to increase the cylinder temperature during the the cold start.

ᾰч


Sistemes dels MACI – Injecció ICE systems - Injection


Otto Injecció indirecta

Otto Injecció directa

Diesel Injecció indirecta

Diesel Injecció directa

⠰ч


Sistemes dels MACI – Injecció Gasolina Gasoline injection



Sistemes dels MACI – Injecció Gasolina Gasoline injection


Inyección MonopuntoMono-Jetronic

Inyección MultipuntoLH-Jetronic

₠ч


Sistemes dels MACI – Injecció Diesel Diesel Injection

1. Dipòsit de combustible2. Bomba d’alimentació3. Filtre4. Prefiltre5. Filtre principal6. Bomba d’injecció7. Injector


7. Injector8. Vàlvula de descarrega9. Canonada de bomba a filtre10. Canonada de filtre a bomba d’injecció11. Tub d’injecció12. Canonada del sobrant dels injectors13. Tub de retorn14. Bomba de ma15. Regulador centrífug16. Variador d’abans de la injecció17. Altura màxima d’aspiració

ч


0

4

8

12

Ta

sa

[g

/s]

0

20

40

60

80

Pre

sió

n [

MP

a]

De control

Efectiva de inyección

En cámara

Sistemes dels MACI – Injecció Diesel Diesel Injection


0 0.001 0.002 0.003

Tiempo [s]0 0.001 0.002 0.003

Tiempo [s]

0 0.001 0.002 0.003

Tiempo [s]

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Le

va

nta

mie

nto

[m

m]

Pistonmando

Aguja

0 0.001 0.002 0.003

Tiempo [s]

0

4

8

12

Q [

ml/s

]

뗰ҟ


Sistemes dels MACI – Refrigeració ICE systems - Cooling

Aire Líquida+ Fiabilitat - Fiabilitat- Extracció de calor limitada + Extracció de calor no limitada- Arquitectura condicionada + Arquitectura no condicionada- Arrancada en fred + Escalfament ràpid (Termòstat)+ Sense manteniment - Manteniment elevat+ Cost baix - Cost alt


Bomba Refrigeració

Bloc Motor Culata Termòstat

Radiador

Tª baixa

Tª alta

Vas d’expansió

땠ғ


Sistemes dels MACI – Lubricació ICE systems - Lubrication

Bomba

Culata: Arbre de llevesTaquésVàsteg vàlvulesBalancins

� Bomba volumètrica� Filtre amb vàlvula By-pass� Rodament antifricció: Cigonyal


Bomba Lubricació

Filtre PresostatBalancins

Càrter

Bloc Motor:DistribucióBloc - CigonyalCigonyal - BielesBulons - PistónsPistóns - Cilindre

땠ғ


Sistemes dels MACI – Lubricació ICE systems - Lubrication


Bomba d’oli. BMW-M3, V8, 4000 cm3,32V, 420 CV

--Tema 3 · TEMA 3 – Enginyeria i Màquines Tèrmiques Components del motor –Components Fixes...

Documents

Transcript of --Tema 3 · TEMA 3 – Enginyeria i Màquines Tèrmiques Components del motor –Components Fixes...