Cunoaşterea avionului ultrauşor – Motorul, partea 1

Postările despre Cunoaşterea avionului ultrauşor continuă…

Generalități

Pentru ca o aeronavă să zboare, este necesară o forţă care să producă suficientă viteză pentru crearea forţei portante. Această forţă este asigurată de regulă de către unul sau mai multe motoare termice. Toate motoarele termice au în comun capacitatea de a converti energia termică în energie mecanică.

Grupul motopropulsor este compus din ansamblul motor/elice şi sistemele asociate. Dintre acestea fac parte sistemul de reglare a pasului elicei, sistemul de răcire, sistemul de ungere, sistemul de aprindere, sistemul de corecţie altimetrică, etc.

Majoritatea aeronavelor mici sunt dotate cu motoare cu piston. Denumirea acestor motoare provine de la faptul că energia mecanică necesară zborului aeronavei provine din transformarea mișcării de “du-te-vino” a pistoanelor cu care sunt acestea prevăzute, în mişcare de rotaţie a elicei.

Elicea are rolul de a transforma mişcarea de rotaţie a arborelui motorului în mişcare rectilinie, care permite deplasarea prin aer a aeronavei. Elicea este montată cel mai frecvent în partea din faţă a aeronavei, caz în care vorbim despre o elice tractivă. Există aeronave cu elicea montată în partea din spate sau alte zone ale fuselajului, funcţionând ca elice propulsivă.

Motoarele cu piston funcţionează pe principiul transformării energiei chimice (combustibil) în energie mecanică. Această transformare are loc în interiorul cilindrilor motorului prin procesul de ardere. Cele două tipuri principale de motoare cu piston sunt cele cu aprindere prin scânteie și cele cu aprindere prin compresie (Diesel).

Principala diferență între aprinderea prin scânteie și aprinderea prin compresie constă în modul de realizare a aprinderii combustibilului.

Motoarele cu aprindere prin scânteie utilizează o bujie pentru a aprinde amestecul de combustibil / aer preamestecat. Raportul aer / combustibil (A/C) reflectă compoziţia amestecului de aer și combustibil.
În cazul unui motor Diesel, aerul din cilindri este comprimat la un nivel la care temperatura sa depăşeşte 500˚C. La pulverizarea combustibilului în cilindru temperatura este suficientă pentru a-l aprinde, în lipsa unei scântei.

Principalele componente ale motorului cu piston

Principalele componente ale motorului cu piston sunt: carterul, cilindrii, pistoanele, tijele împingătoare, supapele, mecanismul de acţionare a supapelor și arborele cotit. În capul fiecărui cilindru se află supapele și bujiile.

Una dintre supape este amplasată pe traseul care vine de la sistemul de admisie, iar cealaltă pe traseul care care duce spre sistemul de evacuare. În interior fiecărui cilindru se află un piston mobil, conectat la un arbore cotit printr-o bielă, figura 1.

Fig.1

Clasificarea motoarelor cu piston:

• După modul de dispunere al cilindrilor în raport cu arborele cotit – radial (în stea), în linie, în V sau opuşi.
• După ciclul de funcţionare – doi sau patru timpi.
• După metoda de răcire – cu lichid sau cu aer.

După modul de dispunere al cilindrilor în raport cu arborele cotit

Motoarele radiale (în stea) au fost utilizate pe scară largă în timpul celui de-al doilea război mondial, iar multe dintre ele sunt încă în serviciu şi astăzi. Cu aceste motoare, un rând sau două rânduri de cilindri sunt aranjate într-un model circular în jurul carterului, figura 2.

Fig.2

Principalul avantaj al acestui tip de motor este raportul putere-greutate. Răcirea este de asemenea mai eficientă decât la motoarele în linie. Dintre aeronavele echipate cu motor în stea încă în serviciu, se pot aminti AN-2, PZL-104-Wilga, Yak-42, Pitts, etc.

Avantajul motoarelor în linie este acela că, prin construcţie, forma capotelor care protejează compartimentul motor permite o bună optimizare din punct de vedere aerodinamic, prin urmare şi rezistenţa la înaintare este mică. În schimb, rapoartele lor putere-greutate sunt relativ scăzute. În plus, cilindrii din spate ai unui motor în linie răcit cu aer primesc foarte puțin aer pentru răcire, astfel încât aceste motoare sunt în mod normal limitate la patru sau șase cilindri, figura 3.

Fig.3

Motoarele în V oferă o putere mai mare decât motoarele în linie și prezintă o rezistenţa la înaintare mică, la fel cu cele în linie. Faţă de un motor în linie, motorul în V este echilibrat prin construcţie. Un astfel de motor are mai puține vibraţii şi este mai silenţios decât unul în linie, figura 4.

Fig.4

 

Îmbunătățirile continue în designul motorului au condus la dezvoltarea motorului cu cilindri opuşi (boxer), care rămâne cel mai popular motor cu piston utilizat pe aeronavele mai mici. Aceste motoare au întotdeauna un număr echilibrat de cilindri, deoarece un cilindru dintr-o parte a carterului “se opune” unui cilindru de cealaltă parte, figura 5.

Fig.5

După ciclul de funcţionare

Principiul de funcţionare al motorului cu piston se bazează pe transformarea energiei chimice în energie calorică şi ulterior în energie cinetică. Amestecul carburant (combustibil / aer) este ars în interiorul cilindrului, provocând destinderea gazelor rezultate, care acţionează asupra pistonului.

Acesta este pus într-o mişcare du-te-vino care este transformată în mişcare de rotaţie de către ansamblul bielă-manivelă, transmisă mai apoi arborelui cotit.
Mişcarea de rotaţie a arborelui cotit este transmisă elicei care produce forţa de tracţiune necesară zborului aeronavei.

Motorul în doi timpi

Principalele caracteristici ale motoarelor în doi timpi sunt:

• un ciclu de funcţionare are loc la o singură rotaţie a arborelui cotit, respectiv două curse simple ale pistonului
• carterul este închis ermetic
• aspirarea fluidului în motor şi precomprimarea lui se face în carter
• acesta are în mod obișnuit un raport de putere mai mare decât un motor în patru timpi

Cu toate acestea, datorită ineficienței și a emisiilor disproporţionate ale modelelor mai vechi, utilizarea motorului în doi timpi a fost mult timp limitată în aviaţie.
Progresele realizate în ultima perioadă au redus multe dintre caracteristicile negative asociate motoarelor în doi timpi.

Motoarele moderne în doi timpi folosesc adesea rezervoare convenționale de ulei, pompe de ulei și sisteme de lubrifiere complexe.

Utilizarea injecției directe a combustibilului și a aerului sub presiune, caracteristic motoarelor Diesel, face ca motoarele Diesel în doi timpi să fie o alternativă viabilă la cele mai comune modele de aprindere prin scânteie în patru timpi.

Funcţionarea motorului în doi timpi

Timpul de compresie începe când pistonul este în partea inferioară a cilindrului, iar amestecul carburant aer/benzină/ulei intră în camera de ardere. Pistonul urcă şi comprimă amestecul, iar la ajungerea sa în poziţia superioară are loc producerea scânteii de către bujie şi aprinderea amestecului carburant.

Timpul de aprindere începe odată cu producerea scânteii, care provoacă explozia amestecului carburant. Explozia împinge pistonul în jos, gazele ies prin orificiul de evacuare şi, la ajungerea pistonului în poziţia maximă de jos, combustibilul intră în camera de ardere, după care ciclul se repetă, figura 6.

Fig.6

Motorul în patru timpi

Motoarele în patru timpi cu aprindere prin scânteie rămân actualmente cele mai utilizate în aviația generală.
Într-un motor în patru timpi, conversia energiei chimice în energie mecanică are loc într-un ciclu de funcţionare de patru timpi. Procesele de admisie, comprimare, explozie și evacuare apar în patru curse separate ale pistonului.

a. Cursa de admisie

Începe odată cu mişcarea pistonului de la partea cea mai de sus a cursei pistonului (PMS – punctul mort superior) către partea cea mai de jos a cursei pistonului (PMI – punctul mort inferior). La începutul cursei pistonului, supapa de admisie se deschide și amestecul carburant este aspirat în cilindru, ca urmare a depresiunii formate prin deplasarea pistonului spre în jos.

b. Cursa de compresie

Începe odată cu închiderea supapei de admisie și deplasarea pistonului înapoi, către PMS. Ca urmare, presiunea amestecului începe să crească, odată cu cea a temperaturii.

c. Explozia

Se produce atunci când amestecul carburant este aprins. La ajungerea pistonului în PMS se iniţiază aprinderea amestecului prin scânteia produsă de către bujie. Această fază a ciclului are rolul de a creea o presiune foarte ridicată a gazelor rezultate în urma arderii, urmată de împingerea cu putere a pistonului către PMI. Pe parcursul acestei curse se produce de fapt transformarea energiei calorice a gazelor în energie cinetică. Acesta este singurul timp în care motorul dezvoltă putere.

d. Cursa de evacuare

Este folosită pentru a curăța cilindrul de gazele arse. Aceasta începe atunci când supapa de evacuare se deschide și pistonul începe să se deplaseze către PMS, forţând evacuarea gazelor rezultate în timpul arderii prin galeria de evacuare, figura 7.

La apropierea pistonului de PMS, odată cu evacuarea ultimelor gaze arse, supapa de admisie se deschide, cea de evacuare se închide şi ciclul se reia.

Chiar și atunci când motorul funcționează la o viteză scăzută, ciclul în patru timpi are loc de câteva sute de ori în fiecare minut.

Aşa cum s-a specificat mai sus, într-un ciclu de funcţionare complet, doar în timpul 3, explozia, se dezvoltă putere.

Pentru maximizarea puterii dezvoltate de motor şi pentru asigurarea unei funcţionări ‘’rotunde’’, timpii de explozie ai cilindrilor sunt eşalonaţi la diferite poziţii, pe parcursul rotaţiei arborelui cotit.

Aceaste eşalonări (spaţieri) sunt realizate astfel încât, pe parcursul a două rotaţii complete, arborele cotit va fi acţionat în patru momente diferite de ardere – câte unul pentru fiecare cilindru.

Funcţionarea continuă a motorului depinde de sincronizarea perfectă a sistemelor auxiliare, incluzând sistemele de inducție, aprindere, alimentare cu combustibil, ungere, răcire și evacuare.

Fig.7

În practică, ciclul teoretic de funcţionare a motorului în patru timpi s-a dovedit a fi ineficient și, prin urmare, sincronizarea între supape și momentul aprinderii a trebuit să fie modificată. Curba de distribuţie, prezentată în figura 8, va ajuta la clarificarea motivelor pentru aceste modificări.

Deschiderea supapei de admisie înainte de PMS asigură că aceasta este deschisă complet la începutul cursei de admisie. Decalajul de timp, care s-ar produce în mod normal între pistonul care se deplasează în jos și amestecul care intră în cilindru, datorat inerției amestecului, este astfel eliminat.

Amestecul care intră poate, astfel, să țină pasul cu pistonul care coboară. Impulsul amestecului care intră în cilindru crește, pe măsură ce cursa de admisie continuă, iar spre sfârșitul cursei este de așa natură, încât gazele vor continua să intre în cilindru, chiar dacă pistonul a depășit PMI și se deplasează ușor în sus.

Aşadar, închiderea supapei de admisie este întârziată până după PMI, când presiunea amestecului din cilindru este aproximativ egală cu presiunea amestecului din galeria de admisie. Pe măsură ce pistonul continuă să se deplaseze în sus, supapa de admisie se închide și amestecul este comprimat. Prin comprimarea amestecului într-un spațiu mai mic, presiunea pe care o va exercita acesta, atunci când este aprins, va crește proporțional.

Chiar înainte ca pistonul să atingă PMS pe cursa de compresie, amestecul este aprins de o scânteie. Pistonul este împins dincolo de PMS datorită impulsului componentelor în mișcare, timp în care flacăra se extinde în amestecul carburant comprimat. Căldura intensă măreşte rapid presiunea, până la o valoare de vârf, valoare atinsă doar când arderea a fost completă.

Prin sincronizarea aprinderii, pentru ca aceasta să aibă loc înainte de PMS, arderea completă și, prin urmare, vârful de presiune, este astfel reglată încât să coincidă cu poziţia arborelui cotit la 10 grade după trecerea de PMS. Acest lucru permite motorului să obțină avantaje maxime din procesul ardere.

Cea mai mare parte a energiei amestecului carburant este convertită în energie mecanică în momentul în care pistonul se deplasează în jos, pe prima jumătatea cilindrului. Dacă supapa de evacuare se deschide în jurul acestui punct, presiunea gazelor reziduale va declanşa prima fază a procesului de evacuare.

Deschiderea supapei de evacuare înainte de PMI va asigura, de asemenea, ca presiunea gazelor rămase în cilindru să nu se opună mișcării în sus a pistonului, în timpul cursei de evacuare.

În partea finală a ciclului de patru timpi, pistonul se mișcă în sus, forțând gazele rămase să iese din cilindru. Supapa de evacuare este lăsată deschisă până după PMS, pentru a permite gazelor să părăsească în totalitate cilindrul, ca urmare a inerţiei acestora.

Fig.8

Supapele şi distribuţia

Pentru o funcționare corectă și optimă a motorului, sincronizarea între supape, momentul aprinderii și poziţia pistonului sunt factori extrem de importanți. La motoarele în patru timpi, aceast lucru este asigurat de sistemul de distribuţie.

Arborele cu came este antrenat de arborele cotit, de obicei printr-un set de pinioane, însă poate fi acționat și prin intermediul unei/unor curele. Viteza de rotaţie a arborelui cu came este de jumătate din turația arborelui cotit, deoarece supapele funcționează doar o dată la fiecare două rotații ale motorului.

Pe măsură ce arborele cu came se rotește, punctul înalt al camei (lobul camei) apasă pe tachet. Aceasta transmite mișcarea unei tije împingătoare, care împinge în sus culbutorul, determinându-l să apese pe supapă, care se deschide, odată cu comprimarea arcului supapei.

Rotirea în continuare a arborelui cu came relaxează culbutorul, iar arcul închide supapa. De obicei, pe camă există câte un lob pentru fiecare supapă.

Pentru o mai bună ilustrare recomand link-ul.

Cauzele şi modul de evitare ale autoaprinderii şi detonaţiei

Autoaprinderea

Autoaprinderea afectează cilindrii în mod individual și se datorează unui punct fierbinte format în interiorul unuia sau mai multor cilindri.

Temperatura ridicată provocată de arderea amestecului carburant, poate produce aceste puncte fierbinți, cauzate de obicei de prezenţa unor impurităţi (calamină) în interiorul cilindrului. Aceste puncte fierbinţi aprind amestecul carburant înainte de aprinderea prin provocată de scânteie.

Menţinerea motorului în limitele normale de funcţionare și evitarea supraîncălzirii pot preveni autoaprinderea.

Autoaprinderea se manifestă printr-o pierdere de putere și o funcționare neregulată a motorului. O creștere a turației motorului duce la amplificarea fenomenului. Acest lucru se datorează faptului că punctul fierbinte nu are timp să se răcească între admisiile succesive de amestec carburant, la turații mari.

Un alt motiv care poate duce la autoaprindere este folosirea unor regimuri de funcţionare ridicate ale motorului, în condiţiile unui amestec sărac (fără benzină în exces pentru răcire).

Autoaprinderea apare de regulă doar într-un cilindru, în care se găseşte acel “punct fierbinte’’ (calamina).

Detonaţia

Flacăra răspândită în cilindru trebuie să fie egală și uniformă. Dacă combustibilul nu are o rezistenţă suficientă la detonare, la o temperatură și presiune critice, se produce o ardere spontană, cu o durată foarte scurtă, de aproximativ 10 / 12 ori mai scurtă decât în cazul timpului de ardere normal.

Deoarece fenomenul se petrece cu o asemenea rapiditate, acesta se manifestă sonor printr-o pocnitură, care nu se aude în mod normal în interiorul aeronavei datorită zgomotului motorului, figura 9.

Când are loc detonaţia, temperatura excesivă rezultată în cilindru provoacă o pierdere de energie și posibile deteriorări ale motorului.
Dacă fenomenul continuă, pot apărea defecţiuni permanente, cum sunt arderea coroanei pistonului, a supapelor și scaunelor supapelor și blocarea segmenţilor în canelurile pistonului, având ca urmare avarierea motorului.

La setarea turaţiei și / sau amestecului, trebuie urmate procedurile prevăzute în manualele de operare și întreţinere, pentru a preveni depășirea limitărilor motorului, în special a temperaturii chiulasei.

Fig.9

Detonaţia are loc după ce s-a produs scânteia și afectează întregul motor.
Fenomenul poate fi recunoscut prin creșterea temperaturii chiulasei și pierderea de putere; poate apărea de asemenea şi o funcţionare inconstantă a motorului.

Dacă pilotul suspectează fenomenul de detonaţie, acesta va îmbogăți amestecul și va reduce puterea motorului.

Pentru evitarea detonaţiei, în combustibil se adaugă aditivi, spre exemplu, tetraetil de plumb.
O parte dintre cauzele probabile ale detonaţiei sunt:

• Dozare incorectă a amestecului (amestec sărac)
• Cifra octanică necorespunzătoare a combustibilului
• Combinații presiune / temperatură ridicate (zbor în urcare la temperaturi exterioare mari, cu viteză de înaintare mică)
• Combustibilul expirat
• Avans prea mare la aprindere

Pentru a asigura o răcire suplimentară a amestecului şi pereţilor cilindrului prin evaporare, sistemul dozare a amestecului carburant furnizează cilindrilor un amestec uşor îmbogăţit, folosind astfel benzina ca agent de răcire.

Cunoscând cauzele producerii detonaţiei, (mers neregulat şi temperaturi mari la chiulase), măsurile care trebuie luate sunt, prin urmare, logice şi anume:

• Se îmbogăţeşte amestecul (combustibilul absoarbe căldura pe măsură ce se transformă în vapori)
• Se reduce maneta de gaze (scade presiunea în cilindri)
• Se măreşte viteza pentru creşterea eficienţei răcirii chiulasei

Ambele fenomene pot fi evitate (prevenite) prin folosirea unui combustibil adecvat şi supravegherea limitărilor operaţionale ale motorului. Aceste informaţii sunt furnizate în Manualul de Zbor al avionului.