1

1. HYRJE

Motori me piston me djegie te brendshme është sistem makinerie shumë i ndërlikuar, qe përbehet prej me tepër se 1000 pjese. Për studimin e problematikes konstruktive te motorëve me DB këtu do te përqendrohemi vetëm ne shqyrtimin e grupeve themelore dhe elementeve te motorit si:

a) Elementet lëvizëse

- grupi i pistonit (pistoni, aksëza, unazat e pistonit)

- bjella

- boshti motorik me mbështetëset

b) Elementet e palëvizshëm

- blloku – trupi i motorit

- unaza e cilindrit

- koka e motorit

- hermetizuesi i kokës se motorit

c) Sistemet ne motor, siç janë: sistemi i ftohjes, sistemi i ndezjes, etj. ne këtë kurs nuk do te përpunohen ne mënyrë te veçantë, pasi qe punohen ne mënyrë detaje ne kursin pajisjet e motorit. Këtu për shkak te specifikave te veta konstruktive do te sqarohet sistemi i shpërndarjes.

Tërë konstruksioni i motorit (përmasat, format materiali, ...) varet në rend të parë prej karakteristikave te tij (fuqisë, ngarkesës mekanike dhe termike, përdorimit etj.)

Konstruktimi i motorit ne mënyrë gjeneralë mund te shikohet nëpërmjet ndërrimit te fuqisë ( eP ). Fuqia e

motorit llogaritet si:

npVkP ehe (1)

ku është: k - konstanta.

Madhësitë themelore, qe ndikojnë ne konceptin e motorit e më të edhe në parametrat konstruktiv të motorit janë:

- gjeometria e motorit ( hV )

- regjimi i shpejtësisë ( n )

- regjimi i ngarkesës ( ep )

Gjeometria e motorit (Vh)

Definohet nëpërmjet shprehjes për vëllimin e hapit:

sD

zV ph

4

2 (2)

2

ku është:

z – numri i cilindrave

Dp – diametri i pistonit

s – hapi i pistonit

Rritja e fuqisë se motorit me rritjen e parametrit V praktikisht shumë rrallë përdoret nga një arsye te thjesht, pasi qe rritja e dukshme e përmasave te motorit kërkon:

- makinat e reja

- veglat e reja

- industrinë e re përcjellëse, etj.

Duke marr te gjitha ne konsideratë kjo rruge është shume e kushtueshme për zhvillimin e motorit te ri ose rritjen e përmasave te motorit ekzistues.

Regjimi i shpejtësisë (n)

Rritja e fuqisë se motorit me rritjen e numrit te rrotullimeve (n) është tejkalua. Kjo tendencë ishte prezentë deri me vitin 1973, deri kur nuk është marr ne konsideratë shumë ekonomia e motorit. Me këtë afrim vinte deri te rritja e humbjeve ne motor e me këtë edhe deri te rritja e harxhimit te motorit. Kjo mund te tregohet me diagramin te paraqitur ne fig. 1. Rritet numri i rrotullimeve te motorit, rritet edhe fuqia e motorit.

Fig. 1 Mënyra e rritjes të fuqisë se motorit me rritjen e numrit të rrotullimeve.

Në këtë mënyrë vjen deri te rritja e humbjeve mekanike. Humbjet mekanike me rritjen e n rriten ne mënyrë progresive siç shihet ne fig. 2.

Fig. 2 Fuqia e fërkimit ne funksion te numrit te rrotullimeve.

3

Me rritjen e numrit (n) vjen deri te rritja progresive e humbjeve mekanike ( m ), zvogëlimi i shkalles

efektive te shfrytëzimit ( e )dhe rritja e harxhimit te lëndës djegëse (specifike (ge) dhe ne orë (Gh)). Për

shkak te asaj qe u përmend, kjo tendencë te rritjes se fuqisë është e tejkaluar. Nga aspekti i regjimit te shpejtësisë së motorit sot është tendenca e zvogëlimit te numrit te rrotullimeve te motorit, qe paraqitet ne fig. 3. Ky ofrim ne kufijtë e arsyeshëm korrektimit te numrit te rrotullimeve, bjer deri te përmirësimi i ekonomikut, gjegjësisht zvogëlimi i harxhimit te lëndës djegëse.

Fig. 3 Pamja grafike e zvogëlimit te numrit nominal te rrotullimit te motorit.

Regjimi i ngarkesës (pe)

Rritja e fuqisë se motorit nëpërmjet ngarkesës është sot rruga me reale dhe me perspektiv. Rritja e pe sot realizohet me fryrje. Ne periudhat e mëhershme, qe te mbulohet një fushe e caktuar e fuqisë (pshm. 100÷200 kW) janë ndërtuar 3 deri ne 4 lloje te motorëve. Sot, me aplikimin e fryrjes, ndërtohet një lloj i motorit me shkallët e ndryshme te fryrjes. Për mënyrën dhe mundësit e rritjes se shtypjes se mesme efektive (pe) ne mënyrë detale është sqarua ne tekstin “Motorët me djegie te brendshme me fryrje”. Ky ofrim te zhvillimit te motorëve jep mundësit e mëdha, por janë prezentë dhe ngarkesat shume me te mëdha te motorëve, ato mekanike por edhe termike. Ne prezencën e këtyre ngarkesave te mëdha problemi kryesor te konstruktimi paraqiten deformimet. Gjegjësisht problemi

σ ∞ d2 (sforcimi gjatësor) dhe

τ ∞ d3 (sforcimi tangjentor) nuk është ashtu i shprehur si problemi i deformimeve 4d . Specifiku i këtij afrimi do te shihet ne shqyrtimet te pjesëve te veçanta te motorit nga aspekti i konstruktimit.

Ne shqyrtimet e mëtutjeshme do te përpunohen elementet themelore te motorëve (me herët te numëruara) me qellim qe studentet te njohën me:

- rolin e elementeve te veçanta te motorit

- ngarkesën e elementeve (mekanike dhe termike)

- kalkulimeve te përafërta (kalkulimi ne vija te trasha)

- materialet

- përpunimin dhe

- specifikat e konstruksioneve,

pa pretendime qe te jepen ndonjë kalkulim përfundimtar, duke pasur parasysh qe ato janë te ndërlikuara.

4

Për përcaktimin përfundimtar konstruktiv te elementeve te motorit shfrytëzohen metodat e llogaritjes te ndërlikuara patjetër me verifikim eksperimental.

Me dijeninë qe studenti e përfiton nga ky kurs, mund ne mënyrë te suksesshme te kyçet ne zgjidhjen e problematikeve konstruktive ne fushën e motorëve.

1.1 Një shikim ne zhvillimin e motorëve

Motorët me DB, sipas koncepcionit te vet, janë përfaqësuesit klasik te kohës se industrializimit. Ne kohen e fundit, qe karakterizohet me prezencën e elektronikes, motorët përjetojnë zhvillimin shumë intensiv qe ta mbajnë vendin e vete ne treg. Zhvillimi i motorit orientohet rëndom sipas kritereve te vlerësimit qe vlejnë ne tregun botëror. Me se shpeshti janë këto kritere:

1. harxhimi i lëndës djegëse

2. krijimi i zhurmës

3. emisioni i gazrave (CO, CxHy, NOx, grimcat, …)

4. çmimi specifik $/kW

5. jetëgjatësia

6. sigurimi ngasës

7. vëllimi specifik m3 boks/kW

8. pesha specifike kg/kW

9. adaptimi i veturës ndaj përdorimit (elasticiteti, pozita e momentit maksimal, ...)

10. shfrytëzimi i servisit internacional dhe furnizimi me pjesë rezerve

11. fleksibiliteti në aspektin e lenden djegëse

Kriteret e përmendur me lart, nuk janë dhenë sipas rëndësisë, gjegjësisht prioritetit. Rëndësia dhe pesha specifike e ndonjërit prej kriterit varen prej ma shume kushteve (kohës, përdorimit të motorit, etj.)

Ndonjëri prej kritereve do te janë shume me te ashpër ne vitet qe vijnë, ndërsa pesha specifike e ndonjërit kriter ne raport me te tjerët do te varet padyshim nga destinimi dhe fusha e përdorimit (p.sh. motorët për autobusët urban fitojnë peshën ne kriterin e emisionit te gazrave dalëse dhe zhurmës, posaçërisht p.sh. ne regjionin – e Kalifornisë). Disa kritere te vlerësimit, përpara vetëm te cekur sipërfaqësisht, sot janë shume me rendësi, si p.sh.. fleksibiliteti ne aspektin e lëndës djegëse.

Për shkak te konkurrencës ne rritje, disa ndryshimeve ne strukturën e aktiviteteve njerëzore dhe kërkesave kontradiktore te disa kritere (p.sh.. çmimi specifik dhe emisioni i ulet i zhurmës, pesha specifike dhe sigurimi ngasës, etj.) rrjedh:

- është e pashmangshme specializimi i motorëve për një përdorim, por i zhvilluar “pa rritje çmimi“ nga varianti themelor, qe te mbahet niveli i lartë i prodhimit të arsyeshëm dhe mundëson aplikim të gjerë.

Nga ana tjetër, gjendja e teknikes se motorit është sot e tillë, qe përparimet sipas disa kritereve janë mjaft te renduar, dhe del se forsimi i njërit shkon ne dem te tjerëve. Është e njohur, qe prej ndonjë limiti

5

te përmirësimi, pune e mëtutjeshme është e ngarkuar me rritjen progresive te mundimeve dhe harxhimeve dhe nevojën për teknologji të reja. Te motorët dizel për ngasjen e automjeteve pshm. për zbritjen e zhurmës për 2 dB ishte shume lehte te variantet e vjetra te motorëve, por ne te rinj edhe 1 dB është veprim i madhe. Nga larte mund te konkludohet:

- investimet e mëdha jo vetëm ne prodhime por edhe ne prodhimtari, pasi qe motorët e ri bashkëkohor do te mund te ndërtohen ne baze te teknologjive te reja. Këtë mund te realizojnë ne jetë vetëm prodhuesit e mëdhenj, niveli i prodhimeve te tyre qe ju mundëson investime te mëdha ne zhvillim, përtëritje te teknologjisë dhe pjesëmarrje te lart ne prodhimtarin kooperuese udhëheqëse. Kjo e fundit na bjer ne përfundim se prodhuesit e vogël do te falimentojnë ose do te ju bashkëngjiten prodhueseve ose grupeve te afta te mëdha.

Motorët dizet me DB për automjete me mbimbushje (me kompresor) kanë fillua nga koncepti i variantit me thithje, por motorët e ri do te konstruktohen ekskluzivisht si motorët me mbimbushje, dhe variantet e tyre me thithje do te shiten vetëm rrugës. Shkaku për këtë forsim te mbimbushjes, dhe ne ardhmërinë e afërt edhe me tepër, qëndron ne këto përparësitë:

- zvogëlimi $/kW, qe mund te reduktohet edhe deri ne 40% ne raport me variantin me thithje

- mundësia e zvogëlimit te numrit te rrotullimit, e me atë dhe zhurmës dhe harxhimit te lëndës djegëse (për shkak te humbjeve mekanike te zvogëluar)

- zvogëlimi i harxhimit te lëndës djegëse për përafërsisht 6% për shkak te shfrytëzimit me te mire te energjisë

- fleksibiliteti me i madh ne aspektin e prodhimtarisë, standardizimi me i madh, me pakës tip te motorëve dhe mjete qarkulluese me pak te zaptuara.

- më pakës kg/kW dhe m3box/kW

Përveç përparësive te shënuara me lart, motorët me mbimbushje kanë edhe te meta:

- ngarkesat mekanike dhe termike me te mëdha

- rrjedha e karakteristikes se shpejtësisë te momentit te motorit ne princip me e keqe

- shpejtimi i keqësuar

Zhvillimi i ri tenton te eliminoje te metat e shënuara me lart dhe më shume te paraqet përparësitë e shënuara. Por, pa teknologji te re, nuk mund te realizohet kompromis i kënaqshëm. Këtu mendohet ne turbinën VG, rregullimin elektronik te injektimit te lëndës djegëse, etj.

Me tutje, nëse motori konstruktohet për te ashtuquajturën shkallen e II te mbimbushjes, atëherë ai do te jetë shume i kushtueshëm si varianti thithës dhe jo i përshtatshëm sipas kriterit kg/kW. Por, nëse dimensionohet (boshti motorik, bjella, mbështetëset, etj.) sipas ngarkesave te shkalles se I, do te jetë e besueshme edhe për shkallen e II, e mos te flasim për atë te shkalles se III te mbimbushjes.

(shkalla e I: 20% me tepër kW/dm3 ne raport me variantin thithëse, shkalla e II: 30 – 50% me tepër

kW/dm3 ne raport me variantin thithëse, shkalla e III: 80 – 90% me tepër kW/dm3

ne raport me variantin thithëse )

Këtu është e mundshme vetëm me teknologjitë e reja dhe me përmirësime te djegia te zgjidhet dilema e lartë dhe motori ne baze „klasike“ te konstruktohet (dimensionohet) sipas shkallës së parë te

6

mbimbushjes dhe njëkohësisht te zvogëlohet pjesëmarrja e prodhimit te variantit thithëse deri ne maks. 20% prej numrit te përgjithshëm te prodhimeve bazik te motorit. Nga kjo del:

- këta motor nga baza do te konstruktohen me mbimbushje, dhe me aplikimin e teknologjive te reja dhe djegies me te mire – injektimit, do te zgjidhet problemi i kg/kW te dëshirueshëm. Zhvillohet tipi bazik me disa shkallë te mbimbushjes, dhe niveli i prodhimit te variantit thithës nuk do te kaloje 20%. Do te futen ne përdorim agregatet e rij bashkëkohor dhe rregullimi elektronik.

Elektronika kyçet ne dy fusha:

- injektimi i lëndës djegëse dhe VG – turbina (zvogëlimi i presionit maksimal ne cilindër, harxhimit te lëndës djegëse, zhurmës)

- diagnostikimi (mbikëqyrja dhe shmangie e dëmtimeve, rritja e sigurisë)

Njëjtë si elektronika, materialet e ri do te kyçen ne ndërtimin e motorëve. Qeramika paraqet materialin me perspektiv me qëllimin e zvogëlimit te ngarkesës termike, çmimit dhe fërkimit. Është e pritshme në motorët e ri paraqitja e qeramikës te:

- dhoma e djegies

- kanali dalës ne kokën e motorit

- udhëzueset e ventilit

- eventualisht pjesa e epërme e këmishës se cilindrit (unazës)

Nuk pritet aplikimi i tërësishëm i „adiabatës“, edhe atë ne seritë me te mëdha edhe asaj qe u cek me lartë. Përveç qeramikës, priten dhe materialet e reja ne fushat e hermetuesve, materialet hibride si dhe çeliqet e ri. Nga ajo qe u cek me larte vijon:

- materialet jo konvencional shume me tepër po kyçen ne konstruktimin e motorit. Elektronika ka me pas vend te caktuar ne pjesën e injektimit – te këndi i para injektimit. Injektimi ne shtypjet e larta po fiton rendësin e vete.

Është cek qe disa kritere për vlerësime ne mes veti janë kontradiktor. Nëse një grup i kritereve kryesor për vlerësim shënohet me A, ndërsa grupi i dyte qe vepron ne kundërshtim me te parin shënohet me B fitohet çdo here diagrami si ne fig. 4. Mund te tregohet p.sh. qe nëse shkohet ka zvogëlimi i harxhimit te lëndës djegëse (A ç’vendoset ne skaj majtas) rritet kriteri $/kW (B është e larguar nga fillimi i koordinatave) dhe e kundërta.

7

Fig. 4 Diagrami i kritereve te vlerësimit.

Ne piken K nuk ka motor, dhe vështire mund te gjendet edhe ne fushën X duke shkuar neper vijën C – D ne drejtim te pikës koordinate, por motorët e këqij mund te gjinden ne fushën Y. Fusha Y nuk është e preferuar për zhvillimet e reja. Por edhe ne te ardhmen nuk do te mund te shmangemi zgjedhjes, dmth. motori për një përdorim te caktuar do te jetë ne C ndërsa për te tjetrën ne D. Nga ky diskutim del:

- vetëm caktimi i forsimit te përmirësimit te kritereve te vlerësimit te zgjedhur mund te shpie agregatin ngasës te caktuar ne maje.

Me ne fund, ne kohët e reja shume me pakës krahasohet harxhimi i lëndës djegëse sipas agregateve ngasës (edhe se motori merë mjaft pjese ne pasqyrën e harxhimit).

Mund te tregohet, qe ndonjë motor qe ka harxhimin minimal te lëndës djegëse me te madhe jep harxhimin me te vogël ne veturë, prej motorit te i cili pasqyra e matur e harxhimit te lëndës djegëse ne kushte stacionare është me e volitshme. Shkaku mund te qëndroj pshm. ne transformimin vetanak etj.. Këtu po vijmë deri te vlerësimi i automjetit, ku ndikim te madhe kemi nga harmonizimi i ndërsjellë dhe vetura kontribuon ne pasqyrës se përgjithshme „te suksesit“ te agregatit ngasës (zvogëlimi i rezistencës, optimizmi i transmisionit, etj.). Përfundojmë se:

- karakteristika vlerësuese do te bartet me shume nga motori ne automjet, a kjo ka domethënie se përveç vlerësimit formal dhe optimizmi me aktiv i tërësisë motor – automjeti te specifikuar për një përdorim te caktuar.

Ne kohen e fundit jemi dëshmitar te zvogëlimit te përhershëm te emisionit te komponentëve toksike ne gazrat dalëse, nëpërmjet regulatives ligjore internacionale.

Para gjithash, njëra prej zgjidhjeve kryesore do te jen gazrat dalëse pa blozë, qe do te mundësojë përdorimin e katalizatorit për HC dhe NOx. Emisioni i blozës do te „zhduket“ me përmirësimin e dukshëm te djegies dhe injektimin e lëndës djegëse por edhe me filtrimin e gazrave dalëse. Edhe sot ofrohen zgjidhjet për këto shqyrtime:

- disa prodhime te deritashme te motorëve duhet te ripërtërihen mjaft nga aspekti i gazrave dalëse dhe zhurmës.

Jo vetëm gara zhvillimore, por edhe çmimet e pranueshme ne treg do te ndikojnë mjaft ne zgjedhjen e prodhueseve. Kështu për shembull motori për autobusin urbane ne Kaliforni do te jetë me i kushtueshëm dhe jo i pranueshëm për tregjet tjera. Ka disa vjet qe prodhuesit me te mëdhenj te automjeteve sipas kushteve dhe çmimit me „paramendim“, i rindërtojnë mjetet e veta dhe ne mënyre përkatëse i pajisin

8

(duhet te shikohen p.sh. disa zgjidhje për automjetet për Afrikë – sistemi i lëndës djegëse, pastruesi i ajrit etj.). Nxjerrim përfundim:

- zhvillimi zgjedhës do te vazhdoj me shpejtësi me te madhe me qëllimin e konkurrimit me te suksesshëm ne tregjet e ndryshme.

Ne tekstin me larte janë dhenë kriteret ma me rendësi, si dhe ndikimi i tyre ne zhvillimin e motorit. Janë dhenë edhe kahet themelore te zhvillimit duke respektuar kriteret e caktuar. Ndryshimi i madhësive karakteristike përkatëse ne motorë për një kohe te caktuar, gjithashtu tregon rrugën me te cilën shkon zhvillimi i motorit. Kjo me se miri mund te shihet ne diagramet qe tregojnë ndryshimin e parametrave përkatës, qe e japin disa prodhues te motorëve dhe komponentëve. Ashtu ne fig. 5 prodhuesi John Deer, jep madhësitë karakteristike:

- presioni mesatar efektiv maksimal pemax

- peshën specifike m* [kg/kW]

- harxhimin specifik te lëndës djegëse gemin

- intervalin e riparimit dhe

- jetëgjatësia e motorit

për periudhën viti 1970 ÷ 2000.

Fig. 5 Ndërrimi i parametrave karakteristik te motorit ne periudhën viti 1970 ÷ 2000.

qe parasheh John Deer.

Kuptohet realizimi i këtyre tregueseve kërkon disa veprime gjate zhvillimit, qe mund te shihet ne fig. 6.

9

Fig. 6 Zhvillimi i përmirësimeve ne motor gjatë zhvillimit.

Ne fig 6 shihen hapat e caktuar ne zhvillimin e motorit, ku janë me te komplikuar veprimet: rregullimi elektronik, turbo – compaund, komponentët prej qeramikës. Firma japoneze Hino ka dhënë parashikimet e veta te ndryshimit te harxhimit specifik dhe jetëgjatësisë, qe shihet ne fig. 7.

Fig. 7 Ndryshimi i jetëgjatësisë dhe harxhimit specifik te lëndës djegëse deri me vitin 2000.

Duhet te theksohet këtu diçka interesante qe para vitit 2000 kemi jetëgjatësinë e motorit prej 1 milion km, qe është madhësi impozante.

Ne fig. 8 është dhenë fuqia specifike (kW/dm3), momenti specifik (Nm/dm3), pesha specifike (kg/kW), harxhimi specifik i lëndës djegëse (g/kWh) dhe ngarkesa specifike e ballit te pistonit (kW/dm2), për intervalin kohor viti 1960 ÷ 2000, sipas analizave qe ka realizua IVECO.

10

Fig. 8 Ndërrimi i parametrave karakteristik te motorit sipas analizave te IVECO-së.

Nga ky diagram është shënim interesant qe paraqitet rritja me e madhe e momentit rrotullues maksimal specifik prej rritjes se fuqisë maksimale specifike, qe do te thotë përmirësimi konstruktiv i karakteristikave tërheqëse te automjetit. Disa prej parametrave specifik janë tregua ne fig. 9 dhe fig. 10 qe i kanë dhënë Garret dhe Kawasaki.

11

Fig. 9 Ndryshimi i peshës se motorit sipas viteve (Garret).

Fig. 10 Ndryshimi i harxhimit specifik te lëndës djegëse sipas viteve (Kawasaki).

Te gjitha treguesit te dhënë me lart, edhe se sipas vlerave absolute nuk përputhën te të gjithë prodhuesit, kanë trendët e njëjta, gjegjësisht kanë caqet e njëjta. Ato mund te realizohen me veprime konstruktive mjaft te ndërlikuara ne sistemet e veçanta, me futjen ne përdorim te materialeve te reja, me teknologjitë e reja te përpunimit, etj. Njeri prej caqeve te këtij kursi është te udhëzoj studentet ne finesat konstruktive dhe detajet qe tash aplikohen te motorët.

12

2. PISTONI I MOTORIT

Kushtet themelore, qe pistoni duhet te plotësojë janë:

- bart forcën e gazrave ne boshtin motorik

- merr pjese ne procesin rrethor, ndërsa te motorët dykohësh merr pjese ne ndërrimin e materies punuese

- njëkohësisht pranon ndryshimet e mëdha te shtypjes dhe temperaturës

- ndihmon ne hermetizmin e hapësirës se kompresionit

- te motorët te madhësive te vogël dhe mesatare e ka rolin e kokës se kryqëzuar

- pranon forcat inercie nga unazat e pistonit

- fundi i pistonit duhet te largoje një sasi te nxehtësisë qe mos te tejkalohet temperatura maksimale e lejuar

- konsumi i materialit duhet te bihet ne një mase te kuptueshme (posaçërisht kanali i unazës se parë të kompresionit dhe fundi i pistonit)

- me piston duhet dhe mundet te ndikohet ne zvogëlimin e harxhimit specifik te lendes djegëse dhe ne zvogëlimin e emisionit te gazrave dalëse te dëmshëm.

2.1 Përmasat themelore te pistonit

Në bazë te numrit te madh te konstruksioneve te suksesshme te ndërtuara te pistonave për motorët oto dhe dizel, janë përcaktua përmasat relative te pistonit ne raport me diametrin e pistonit (Dp) ose ne raport me lartësinë e tërësishme te pistonit (GL). Shpërndarja e këtyre përmasave ne raport me ndonjë rast konkret mund te jetë ±5 ÷ ±10%. Skica e pistonit me përmasat themelore është dhënë ne fig. 11.

Fig. 11 Skica e pistonit me përmasat..

13

Madhësitë relative te disa përmasave janë dhënë në mënyrë tabelore ne tabelën 1.

Tabela 1. Përmasat relative te pistonit.

Dimensionet relative te pistonit Motori oto Motori dizel

deri 3000 rr/min deri 5000 rr/min Lartësia e pistonit (GL/Dp) 1,0 ÷1,4 1,3 ÷ 1,6 1,16 ÷ 1,22 Lartësia e shiritit mbrojtës (F/Dp) 0,06 ÷ 0,09 0,14 ÷ 0,2 0,1 ÷ 0,13 Trashësia e ballit te pistonit (s/Dk)

- derdhur - presuar

0,07 ÷ 0,08 0,05 ÷ 0,07

0,15 ÷ 0,2 0,12 ÷ 0,15

0,13 ÷ 0,18

Lartësia e kompresionit (KM/GL) 0,39 ÷ 0,59 0,5 ÷ 0,62 0,47 Lartësia e trupit (SL/GL) 0,68 ÷ 0,74 0,62 ÷ 0,70 0,68 Distanca (AA/Dp) ~ 0,4 ~ 0,45 0,32 ÷ 0,42 Gjatësia (UL/Dp) 0,4 ÷ 0,6 0,60 ÷ 0,65 0,55 ÷ 0,60 Diametri i akszës (BO/Dp) 0,24 ÷ 0,28 0,34 ÷ 0,38 0,30 ÷ 0,32 Gjatësia (BL/Dp) ~ 0,85 ~ 0,85 ~ 0,85 Lartësia (RO/Dp) 0,33-2/Dp [mm] ~ 0,46 ~ 0,46Lartësia e shiritit (St/Dp)

- nën unazën e parë - nën unazën e dytë

0,035 ÷ 0,065

0,03 ÷ 0,05

0,05 ÷ 0,07

0,05 ÷ 0,065

0,04 ÷ 0,05

0,035 ÷ 0,05 Masa e pistonit (m/Vp) (kg/m3) 0,85 ÷ 1,03 1,8 ÷ 1,22 1,4 ÷ 1,10

* ku është GLD

V pp

4

2

Ne baze te fig. 11 dhe tabelës 1 mund te definohen përmasat themelore konstruktive te pistonit të motorit.

2.2 Materiali prej te cilit ndërtohet pistoni

Në varshmëri prej kushteve specifike te punës nga njëra ane, dhe detyrës se pistonit nga ana tjetër, nga materiali i pistonit kërkohet qe te ka këto veti:

- masën e vogël specifike

- qëndrueshmëria e mjaftueshme statike dhe dinamike ne temperaturat e rritura

- koeficientin minimal te bymimit linear

- përçueshmëria e mire te nxehtësisë

- vetit e mira ne rrëshqitje edhe te lubrifikimi i pamjaftueshëm

- vetit e mira kundër korrozionit

- përpunim te mirë dhe

- çmim te ulet.

14

Fig. 12 Mikrostruktura e legurave te aluminit dhe silicit a) AlSi12; b) AlSi24

Nga këtu shihet se ekziston një numër i madhe te kërkesave nga materiali i pistonit. Dhe disa prej tyre janë ne kundërshtim njeri me tjetrin. Ne fazën fillestare te zhvillimit te motorit, pistonat janë ndërtua prej hekurit te derdhur. Se shpejti këta pistona kanë filluar te zëvendësohen (eliminohen) me pistonat nga legurat e aluminit. Elementi kryesor te legurat e Al është silicit (Si). Për përbërjen e silicit 11 – 13 % ne alumin fitohet e ashtuquajtura legura euteklike struktura e se çiles shihet ne fig 12. a), ndërsa për përbërjen e silicit 17 ÷ 25% fitohet legura nadeutektike struktura e se cilës është dhënë ne fig, 12 b). Kristalet me te mëdhenj primar te silicit ja japin legurës nadeuktike rezistencën e madhe ne harxhim (fërkim) dhe koeficientin e bymimit linear te zvogëluar. Përveç legurave te aluminit, si materialin me te shpesh për pistona, ne disa raste te veçanta shfrytëzohet dhe giza e hirtë e derdhur dhe derdhja modulare. Përparësitë themelore te legurave te aluminit për pistona janë:

- forcat inercie me te vogla

- transmetim i mire i nxehtësisë

Anët e dobëta te legurave te aluminit janë:

- koeficienti i lart i bymimit linear

- përkeqësimi i vetive mekanike me rritjen e temperaturës

Përbërja kimike, vetit fizike dhe mekanike te legurave me shpesh te përdorura për pistona, janë dhënë në tabelat 2 dhe 3.

Tabela 2. Përbërja kimike e legurave te Al për pistona.

Shënimi Cu Mg Mn Si Fe Ti Zn Ni Cr Co A1Si12CuNi 0,8-1,5 0,8-1,3 0,2 11-13 0,7 0,2 0,2 0,8-1,3 - A1Si18CuNi 0,8-1,3 0,8-1,3 0,2 17-19 0,7 0,2 0,2 0,8-1,3 - A1Si21CuNi 1,4-1,8 0,4-0,8 0,6-0,8 20-22 0,7 0,2 0,2 1,4-1,6 - 0,5-1,2 A1Si25CuNi 0,8-1,3 0,8-1,3 0,2 24-26 0,7 0,2 0,2 0,8-1,3 - 0,3-0,5

15

Tabela 3. Vetit mekanike dhe fizike te legurave te Al për piston

Shënimi G

JEN

DJA

Kufiri i rrjedhmërisë.

02

2mm

daN

Qëndrushmër. ne terh

B

2mm

daN

Fortësia HB

2mm

daN

Qëndryshmër.dinamie ne lakim.

bw

2mm

daN

Qëndrushmëria te Fortësia te

Moduli i elasticitetit

2mm

daN

Masa specifike

3dm

kg

Koeficienti i trans.te nxehtësisë

mK

W

Koefic.mesatar i bymimitlinear për 20-200°C

Cm

m

610

150°C

2mm

daN

250°C

2mm

daN

150°C

2mm

daN

250°C

2mm

daN

A1Si12CuNi L P

18-21 30-36

20-24 34-40

90-125 100-130

7-9 7-9

16-20 23-30

8-12 10-17

75-95 70-105

35-50 35-50

7500 7500

2,70 2,70

125-134 134-142

20-21 20-21

A1Si18CuNi L P

17-20 22-26

18-22 26-30

90-125 100-130

7-9 8-10

15-18 19-23

8-12 10-15

80-95 80-100

40-50 35-55

8000 8000

2,68 2,68

109-117 117-125

18-19 18-19

A1Si21CuNi L 17-22 18-22 90-120 8-10 15-19 9-13 80-105 50-70 8600 2,68 100-117 17-18 A1Si25CuNi L 17-20 18-22 90-120 7-9 15-18 9-12 80-100 45-60 8600 2,65 100-109 16-17

Vërejtje: 1) D – përpunimi me derdhje; P- përpunimi me presim..

2) Zgjatja gjatë këputjes 5 ka vlerën më te vogël ne gjendje te derdhur ndërsa vlerën me te madhe ne

gjendjen e presuar. Për shembull A1Si12CuNi ne gjendje te derdhur 0,3-1,0% ndërsa ne gjendje te presuar 2,0-

4,0%. Me rritjen e përbërjes se silicit zgjatja 5 zvogëlohet dhe te dy derdhjet e ardhshme A1Si18CuNi dhe

A1Si21CuNi kanë vlerën 0,2-0,5% ne gjendjen e derdhur.

Keqësimi i vetive mekanike te derdhjeve prej Al, qe shfrytëzohen për ndërtimin e pistonave, në varshmëri prej temperaturës me se miri shihet ne fig. 13 dhe fig. 14.

Fig. 13 Diagrami i qëndrueshmërisë dinamike ne funksion te temperaturës, për pjesët prej derdhjeve dhe te presuara.

16

Fig. 14 Diagrami i varshmërisë te fortësisë sipas Brinel-it nga temperatura dhe orë pune, për pjesën e presuar.

Ne fig. 13 shihet, qe pistoni qe fitohet me presim ka qëndrueshmërinë dinamike ne lakim pakës me te mirë, por shihet edhe zvogëlimi mjaft i madhe e kësaj qëndrueshmërie me rritjen e temperaturës. Ne fig. 14 përveç zvogëlimit te fortësisë shihet dhe ndikimi i numrit te orëve qe pistoni i ka kalua ne punë. Kështu pshm., ne temperaturën prej 230°C zvogëlimi i fortësisë pas 250 orë pune është 4,5% (nga pika B ne piken A). Ne te njëjtin drejtim gjendet dhe pika A' qe do te përgjigjet për derdhje.

Nga diagramet paraprak mund te përfundohet:

- zvogëlim drastike te qëndrueshmërisë ne lakim dhe fortësisë ne fushën e temperaturave 150 ÷ 250°C (më tepër se dy here)

- me futjen e teknologjisë te presimit situata pjesërisht përmirësohet.

2.3 Format e ballit te pistonit

Balli i pistonit te motorët oto dhe dizel kanë format mjaft te ndryshme ne varshmëri nga forma konstruktive te hapësirës për djegie dhe te shkalles se shtypjes qe duhet realizuar. Te motorët dy kohesh balli i pistonit varet nga sistemi i shpëlarjes. Ne fig. 15 janë dhënë disa forma karakteristike te ballit te pistonit . Ne fig. 15 a), b) dhe c) janë dhënë tri formë te ballit te pistonit te motorët oto. Forma e ballit te pistonit ne fig. 15 d) rëndom shfrytëzohet te motorët dizel me vëllimin te ndarë te djegies (motorët me paradhomë).

17

Fig. 15 Format e ndryshme te ballit te pistonit.

Ne fig. 15 e) dhe f) është dhënë pistoni me dhomën ne ballin e vete qe shfrytëzohet te motorët dizel me injektim direkt. Trashësia e ballit te pistonit zgjidhet ashtu qe te mund te përballojë ngarkesat te shkaktuara nga forcat e gazrave dhe inercisë, por edhe te sforcimet termike. Kushti i dyte është qe balli i pistonit te mundësojë largimin adekuat te nxehtësisë. Për shkak te formës se ndërlikuar te ballit te pistonit si dhe karakterin e ndërlikuar te ngarkesave, trashësia e ballit te pistonit përcaktohet nga eksperienca. Trashësia e pjesëve te rrafshëta ose pjesëve te thjeshta konkave dhe konvekse te ballit te pistonit te motorët e ndërtuar gjinden ne kufijtë e dhënë ne tabelën 4.

Tabela 4. Trashësia relative e ballit te pistonit ne raport me diametrin e pistonit (s/Dp)

Al-legurat Hekuri i derdhur

derdhur presuar Motorët oto 0,07 ÷ 0,08 0,05 ÷ 0,07 0,02 ÷ 0,04 Motorët dizel 0,15 ÷ 0,20 0,12 ÷ 0,15 0,05 ÷ 0,08

Segmentet tjerë te pistonit (kanalet, mbështetëset e aksit, fundit te pistonit, etj) me vone do te përpunohen.

2.4 Temperatura ne piston

Njohja e temperaturës si ne sipërfaqen e pistonit ashtu dhe ne brendësi te tere pistonit është segmenti me rëndësi dhe do te përpunohet këtu ne mënyrë te veçantë. Nga niveli dhe shpërndarja e temperaturës ne piston varet:

- lartësia e ngarkesës termike te pistonit

- zvogëlimi i ngurtësisë dhe fortësisë se materialit

18

- hapësirat te pistoni, unazat e pistoni dhe unaza e cilindrit (kemishezat)

- koksimi i vajit

Fig. 16 Shpërndarja e temperaturës ne pistonat për motorët oto dhe dizel (fushat e vijëzuara me vija te pjerrtë me kornizat e plota vlejnë për pistonat prej Al- legurave, fushat me vijat vertikale me kornizat

me vija te ndërprera vlejnë për pistonat prej Gizës se hirtë).

Diagrami qe tregon nivelin dhe shpërndarjen e temperaturës ne sipërfaqen e pistonit është tregu ne fig. 16. Ne këtë figurë është treguar paraqitja krahasuese te motorët dizel (pjesa e majtë e figurës 16) dhe gjendja te motorët oto pjesa e djathtë e figurës 16. Kuptohet , ne fig. 16 janë dhënë vlerat orientuese (fusha) e temperaturave për formën e treguar ne figurë te njëjtë. Pshm. pistoni me dhomë ne piston ka profilin e ndryshëm te temperaturës sipas prerjes, qe do te tregohet me vonë. Kjo vetëm na shpie te fakti qe profili i ndryshimit te temperaturës ne sipërfaqen e pistonit varet prej formës se pistonit, trashësisë se mureve, kushteve te rrethinës, etj.. Ne fig. 16 me N është shënua njëra prej pikave kritike (kanali i unazës se pare te kompresionit) temperatura maksime e se cilës lëviz deri ne 250 oC. Ne këto kushte te temperaturës shume bie ngurtësia dhe fortësia ne lakim, dhe me goditje te unazës shume shpejt do te vjen deri te dëmtimi i kanalit. Për zgjidhjen e këtij problemi shfrytëzohet përdorimi i legurës “nirezist” (legura Cu-Ni - giza e hirtë) qe derdhet ne kanalin e unazës se parë hermetizuese. Kjo legure nuk ka ndonjë ndryshim te madhe te vetive mekanike me ndryshimin e temperaturës, me çka është sigurua funksionimi normal i unazës se pare te kompresionit. Detaji i këtij veprimi konstruktiv është dhënë ne fig. 17. Shume shpesh për vlerësimin e ngarkesës termike (nivelit te temperaturës) ne piston shfrytëzohet parametri, e ashtuquajtura fuqia specifike e dhënë me shprehjen:

19

Fig. 17 Pamja e detajit te pistonit me unazën e derdhur prej nirezistit ne kanalin e unazës së parë te pistonit.

22

)1max(

2

4

cm

kW

D

rD

PP

k

k

esp

(3)

ku është: )1max(eP - fuqia maksimale sipas cilindrit te motorit (kW)

cmDp - diametri i pistonit

r [cm] – radiusi i boshtit motorik

Ne bazë te shprehjes (3) prodhuesit e pistonave e japin diagramin te paraqitur ne fig. 18 ne te cilin shihen tri regjione te ndara dhe atë:

regjioni A – pistonat ku nuk nevojitet ftohje e veçantë

regjioni B – regjioni kufitar

regjioni C – regjioni me ftohje te obliguar te pistonit

Fig. 18 Diagrami i fuqisë specifike ne varshmëri prej diametrit te pistonit.

20

Niveli i temperaturës ne piston varet nga:

a) presionit te mesëm efektiv dhe procesit (dizel, oto, injektim direkt, kohet e motorit)

b) ftohja e motorit (uji, ajri)

c) ngarkesa e motorit

d) konstruktimi i pistonit, cilindrit dhe kokës së motorit

e) gjendja e motorit

f) ndikimit atmosferik

Paraqitja e disa, faktorëve larte te numëruar ne temperaturën e pistonit jepet ne vazhdim.

Ndikimi i presionit te mesëm efektiv (pe) dhe regjimit te shpejtësisë (n) ne temperaturën ne shiritin mbi unazën e parë te pistonit (t1) është dhëne ne fig. 19.

Fig. 19 Ndikimi i regjimit te punës se motorit ne temperaturën t1 (motori oto).

Ne figurën e njëjtë me A është shënuar regjioni i karakteristikes se shpejtësisë se jashtme, ndërsa me B regjioni i një karakteristike parciale. Ne fig. 20 është dhënë ndikimi i temperaturës se rrethinës (to) ne temperaturën e pistonit t1 dhe t2 (fig. 19) për numra te ndryshëm te rrotullimit te motorit.

21

Fig. 20 Ndikimi i temperaturës te ajrit te rrethinës ne temperaturën e pistonit.

Ndikimi i hapësirës te shiritit mbrojtës te pistonit (ΔS) ne ndërrimin e temperaturës ne shiritin ne mes unazës se pare dhe te dyte te pistonit (Δt3) është dhënë ne fig. 21, për motorin oto dhe dizel.

Fig. 21 Ndikimi i hapësirës ΔS ne temperaturën e pistoni.

Ndikimi i këndit te para ndezjes (te motorët oto) dhe këndit te para injektimit (te motorët dizel) ne ndryshimin e temperaturës t2 (fig. 19) është dhënë ne fig. 22.

22

Fig. 22 Ndikimi i këndit te para ndezjes (para injektimit) ne temperaturën e pistonit.

Ndikimi i formës te ballit te pistonit dhe dhomës ne piston ne ndryshimin e temperaturës ne sipërfaqen e pistonit është dhënë ne fig. 23.

Fig. 23 Ndikimi i formës te ballit te pistonit ne shpërndarjen e temperaturës.

Ndikimi i shkalles se shtypjes (ε) te motorët oto ne ndryshimin e temperaturës t2 (fig. 19) është dhënë ne fig. 24 për karakteristiken e shpejtësisë se jashtme (A) dhe karakteristiken parciale (B).

23

Fig. 24 Ndikimi i shkalles se shtypjes ne temperaturën e pistonit.

Ne fund jepet ndikimi i pozitës se kandelës ne temperaturën t2 ne piston. Ne fig. 25 janë dhënë dy pozita (pozicioni 1 dhe 2) te kontrollit te temperaturës, për pozitat e kandelës se dhënë ne fig. 25.

Fig. 25 Ndikimi i pozitës se kandelës ne temperaturën e pistonit.

Shpërndarja e temperaturës ne brendësi te materialit te pistonit mund te fitohet me ndonjërin prej metodave numerike (me metodën e elementeve te fundme). Ne fig. 26 është treguar diagrami i izotermave (t [°C] = const.) për një piston ne prerje (modeli 2D).

Fig. 26 Diagrami i ndryshimit te temperaturës sipas prerjes se pistonit.

24

Ne fig. 27 është dhënë diagrami i izotermave ne tere hapësirën e pistonit (modeli 3D).

Fig. 27 Diagrami i ndryshimit te temperaturës ne çerekun e pistoni.

Për rastin kur temperaturat e pistonit janë te larta (ngarkesa termike e madhe), gjegjësisht qe fuqia specifike e pistonit () ne regjionin C ose ne regjionin B (fig. 18) atëherë duhet te aplikohet ftohja shtesë e pistonit. Shembuj te zgjidhjes te ftohjes shtesë te pistonit shihen ne figurat e ardhshme. Fig. 29 dhe fig. 30 paraqesin shembujt te spërkatjes klasike te vajit ne piston nga ana e brendshme, ku ne fig. 29 është vendosur kanali shtese qe e ndalon vajin ne anën e poshtme te ballit te pistonit (galeria) dhe e intensifikon ftohjen.

Fig. 28 Spërkatja e vajit nga ana e brendshme te pistonit.

Fig. 29 Spërkatja e vajit nga ana e brendshme, me ndalimin ne piston.

25

Ne fig. 30 dhe fig. 31 janë dhënë rastet e spërkatjes te vajit ne piston nga ana e poshtme e pistonit, nëpërmjet kanaleve te ndërtuar ne piston. Me këto veprime përmirësohet intensiteti i ftohjes te pistonit, por çmimi i ndërtimit te këtij pistoni është mjaft me e lart.

Fig. 30 Ftohja e pistonit me spërkatje

Fig. 31 Ftohja e pistonit me spërkatje.

Si tregues te përmirësimit te ftohjes se pistonit ne vazhdim jepen temperaturat e zvogëluara ne pikat M dhe N (fig. 16) për fuqi te ndryshme specifike te motorit. Paraqitja e këtyre te dhënave është dhënë ne tabelën 5.

Tabela 5. Temperatura e zvogëluar ne pikat M dhe N (fig. 16) me vendosjen e zgjidhjeve për ftohje te dhëna prej fig. 28 deri ne fig. 31.

Mënyra e ftohjes

Psp [kW/cm2] Δt [°C] pika M

Δt [°C] pika N

figura 28 0,22 75 35 figura 29 0,22 75 30 figura 30 0,37 110 90 figura 31 0,51 110 110

26

Hapat e mëtutjeshëm ne shkarkimin termik te pistonit janë te pistonat e dy pjesshëm ose me më tepër pjese te formuar nga balli i pistonit (rëndom çelik i legiruar i rezistueshëm ne temperatura) dhe pjesës tjetër te pistonit te punuar nga legura e Al. Shembuj te këtyre ndërtimeve konstruktive janë dhënë ne fig. 32.

Fig. 32 Zgjidhja konstruktive e pistonave dy pjesësh.

Shpërndarja e temperaturës pshm. ne pistonin te dhënë ne fig. 32 c) shihet ne fig. 33, ku shihen temperaturat e larta ne ballin e pistonit (pjesa ballore) dhe temperaturat relativisht te ulëta te pjesa tjetër e pistonit. Ne kohet e fundit shkohet ne vendosjen e një shtrese qeramike, si materialin izolues, me çka behet mjaft shkarkimi termik i pistoni kryesor. Shembuj te këtij konstruksioni te pistonit janë dhënë ne fig. 34 dhe fig. 36 me diagramet e ndryshimit te temperaturës ne fig. 35 dhe fig. 37.

Fig. 33 Shpërndarja e temperaturës te pistoni dy pjesësh

c)

27

Fig. 34 Konstruksioni i pistonit me dhome te mbështjell me qeramikë (Al2TiO5) dhe Fig. 35 Shpërndarja e temperaturës ne ballin e pistonit.

Fig. 36 Konstruksioni i pistonit me dhome qeramike dhe Fig. 37 Shpërndarja e temperaturës ne ballin e pistonit.

Nxehtësia qe largohet neper piston ka rëndom tri regjione karakteristike te largimit:

- largimi i nxehtësisë nga balli i pistonit ne karter

- largimi i nxehtësisë neper unazat e pistonit

- largimi i nxehtësisë neper fundin e pistonit

Raporti i nxehtësisë se larguar neper pjesët e veçantë ndaj nxehtësisë se pruar janë te ndryshëm dhe varen si nga konstruktimi i pistonit ashtu edhe nga rrethina. Shembull te shpërndarjes orientuese te nxehtësisë qe bartet neper piston është dhënë fig. 38 ne rastin e pitonit pa ftohje shtesë.

28

Fig. 38 Skema e largimit te nxehtësisë nga pistoni.