ing. catalin george atanasiu - unitbv.ro · rezumat - cercetari privind supraalimentarea motoarelor...
TRANSCRIPT
-
Investeşte în oameni!
FONDUL SOCIAL EUROPEAN
Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013
Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”
Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Burse doctorale pentru dezvoltare durabila” BD-DD
Numărul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945
Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov
Universitatea Transilvania din Brasov
Scoala Doctorala Interdisciplinara
Departamentul: Autovehicule si Transporturi
Ing. Catalin George ATANASIU
Cercetari privind supraalimentarea
motoarelor de automobile
Researches regarding automotive engines
supercharging
Conducător ştiinţific
Prof.Dr.Ing. Anghel CHIRU
BRASOV, 2013
-
MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV
BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525
RECTORAT
D-lui (D-nei) ..............................................................................................................
COMPONENŢA
Comisiei de doctorat
Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov
Nr. 5984 din 02.09.2013
PREŞEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Ioan Calin ROSCA
DECAN – Facultatea de Inginerie Mecanica
Universitatea “Transilvania” din Brasov
CONDUCĂTOR
ŞTIINŢIFIC:
- Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU
Universitatea “Transilvania” din Brasov
REFERENŢI:
- Prof. univ. dr. ing. Tudor PRISECARU
Universitatea „Politehnica” din Bucuresti
- Prof. univ. dr. ing. Ion TABACU
Universitatea din Pitesti
- Prof. univ. dr. ing. Gheorghe Alexandru RADU
Universitatea „Transilvania” din Brasov
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 11.12.2013, ora
10:00, sala UII3, la Aula Universitatii Transilvania din Brasov.
Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să
le transmiteţi în timp util, pe adresa: [email protected].
Totodată, vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de
doctorat.
Vă mulţumim.
mailto:[email protected]
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
89
Cuprins (Lb. Romana)
1. Introducere, resurse energetice, transport si mediu ............................................. 7
1.1 Problema globală .................................................................................................... 7
1.2 Transporturile in secolul XXI si evolutia parcului auto .............................................. 8
1.3 Resursele energetice folosite in domeniul auto ...................................................... 10
1.4 Influența arderii combustibililor asupra mediului ................................................... 11
1.5 Cerinte privind consumul energetic si emisiile autovehiculelor ............................... 12
1.6 Concluzii ............................................................................................................... 14
2. Analiza posibilitatilor tehnice de imbunatatire a performantelor motoarelor cu
aprindere prin comprimare .............................................................................................. 15
2.1 Analiza ciclurilor motoarelor cu aprindere prin comprimare ................................... 15
2.2 Influenta factorilor de stare asupra performantelor motoarelor ............................. 18
2.3 Influenta factorilor functionali asupra performantelor motoarelor ......................... 19
2.4 Influenta factorilor constructivi asupra performantelor motoarelor ....................... 20
2.5 Concluzii privind analiza solutiilor constructive ...................................................... 23
2.6 Obiectivele si etapele dezvoltarii lucrarii ................................................................ 23
3. Studiul sistemelor de supraalimentare folosite la m.a.i. pentru automobile ....... 27
3.1 Introducere ........................................................................................................... 27
3.2 Supraalimentarea acustica .................................................................................... 28
3.3 Supraalimentarea cu agregat antrenat mecanic ..................................................... 29
3.4 Supraalimentarea cu turbosuflanta ....................................................................... 33
3.5 Supraalimentarea cu unde de presiune .................................................................. 35
3.6 Supraalimentarea mixta ........................................................................................ 36
3.7 Concluzii ............................................................................................................... 38
4. Compresorul cu unde de presiune. Principiul de functionare. Constructie.
Optimizare ...................................................................................................................... 39
4.1 Istoric și aplicaţii ................................................................................................... 39
4.2 Principiul de funcţionare al compresorului cu unde de presiune ............................. 39
4.3 Descrierea elementelor și caracteristicilor constructive ale unui compressor cu unde
de presiune ............................................................................................................................ 40
4.4 Sisteme auxiliare ................................................................................................... 41
4.5 Variante constructive ............................................................................................ 43
4.6 Optimizarea constructiva a agregatului cu unde de presiune .................................. 44
5. Analiza in mediu virtual a performantelor m.a.c. .............................................. 49
5.1 Modele matematice folosite in dezvoltarea lucrarii ................................................ 49
5.2 Echipamentul software utilizat .............................................................................. 54
5.3 Concluzii cu privire la analiza in mediu virtual ........................................................ 58
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
90
6. Echipamente, tehnici si procedee utilizate in cadrul cercetarii experimentale .... 59
6.1 Scopul si obiectivele cercetarii experimentale ........................................................ 59
6.2 Metodica programului de incercari experimentale ................................................. 59
6.3 Standul de incercari experimentale ........................................................................ 60
6.4 Adaptarea compresorului cu unde de presiune pe motorul Renault K9K ................. 62
7. Rezulatele investigatiilor experimentale si a cercetarilor in mediu virtual
efectuate pe motorul Renault K9K ................................................................................... 64
7.1 Rezultatele cercetarii experimentale ...................................................................... 64
7.2 Determinarea turatiei optime de antrenare a compresorului cu unde de presiune .. 73
7.3 Validarea modelului virtual realizat in AVL Boost v.2010......................................... 74
7.4 Validarea modelului virtual realizat in AVL Fire v.2010............................................ 75
7.5 Analiza in mediu virtual a comportamentului unui motor supraalimentat mixt,
compresor cu unde de presiune – turbosuflanta ...................................................................... 77
7.6 Rezultatele investigatiilor experimentale efectuate pe motorul echipat cu compresor
cu unde de presiune optimizat................................................................................................. 78
8. Concluzii finale. Contributii originale. Directii viitoare de cercetare ................... 81
8.1 Concluzii finale ...................................................................................................... 81
8.2 Contributii originale ............................................................................................... 82
8.3 Directii viitoare de cercetare .................................................................................. 82
Bibliografie (selectiva).......................................................................................... 83
Scurt rezumat (Lb. Romana, Lb. Engleza) .............................................................. 86
CV (Lb. Romana, Lb. Engleza) ............................................................................... 87
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
89
Cuprins (Lb. Engleza)
1. Introduction, energy resources, transport and environement .............................. 7
1.1 Global problem ....................................................................................................... 7
1.2 Transport in XXI century and evolution of automotive fleet ..................................... 8
1.3 Energy resources used in automotive industry ....................................................... 10
1.4 The influence of fuel burning over environement ................................................... 11
1.5 Demands regarding fuel consumption and polutant emissions of automotive sector
.............................................................................................................................................. 12
1.6 Conclusions ........................................................................................................... 14
2. Technical posilibilty analysis of improving the compression-ignition internal
combustion engine performance...................................................................................... 15
2.1 Cycle analysis of compression-ignition engines ...................................................... 15
2.2 The influence of state factors over engine’s performance ....................................... 18
2.3 The influence of functional factors over engine’s performance ............................... 19
2.4 The influence of constructive factors over performance ......................................... 20
2.5 Conclusions ........................................................................................................... 23
2.6 Thesis objectives and development stages ............................................................. 23
3. Study of supercharging system used for automotive internal combustion engines
....................................................................................................................................... 27
3.1 Introduction .......................................................................................................... 27
3.2 Natural supercharging ........................................................................................... 28
3.3 Supercharging using mechanical driven unit .......................................................... 29
3.4 Turbocharging ....................................................................................................... 33
3.5 Pressure wave supercharging ................................................................................ 35
3.6 Combined supercharging ....................................................................................... 36
3.7 Conclusions ........................................................................................................... 38
4. Pressure wave supercharger. Functional principle. Construction. Optimization. . 39
4.1 History and applications ........................................................................................ 39
4.2 The working principle of pressure wave supercharger ............................................ 39
4.3 Description of constructive elements from a pressure wave supercharger .............. 40
4.4 Auxiliary systems .................................................................................................. 41
4.5 Constructive options ............................................................................................. 43
4.6 Constructive optimization of the pressure wave supercharger ................................ 44
5. Virtual environement analysis of compression-ignition internal combustion
engine performances ....................................................................................................... 49
5.1 Mathematical models used in thesis development ................................................. 49
5.2 Software used ....................................................................................................... 54
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
90
5.3 Conclusions ........................................................................................................... 58
6. Equipements, technics and procedures used in the experimental research ......... 59
6.1 The scope and objectives of the experimental research .......................................... 59
6.2 Working method of the experimental research ...................................................... 59
6.3 The test bed .......................................................................................................... 60
6.4 Pressure wave integration on the Renault K9K engine ............................................ 62
7. Experimental investigation and virtual simulation results conducted on the
Renault K9K engine ......................................................................................................... 64
7.1 Experimental investigation results ......................................................................... 64
7.2 Determination of optimum pressure wave supercharger speed .............................. 73
7.3 AVL Boost virtual model validation ........................................................................ 74
7.4 AVL Fire virtual model validation ........................................................................... 75
7.5 Virtual investigation of a combined supercharged engine, using a turbocharger and a
pressure wave supercharger .................................................................................................... 77
7.6 Experimental investigation results on the Renault K9K supercharged with optimized
pressure wave supercharger .................................................................................................... 78
8. Final conclusions. Original contributions. Future research directions. ................ 81
8.1 Final conclusions ................................................................................................... 81
8.2 Original contributions ............................................................................................ 82
8.3 Future research directions ..................................................................................... 82
References (selective) ........................................................................................... 83
Short abstract (Lb. Romana, Lb. Engleza) .............................................................. 86
CV (Lb. Romana, Lb. Engleza) ............................................................................... 87
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
7
1. Introducere, resurse energetice, transport si mediu
In industrie, forta motrice este energia, si este esențială pentru existenta.
Densitatea hidrocarburilor lichide este superioara celei continute in baterii, a
hidrogenului pur sau decât cea a biocombustibililor, din punct de vedere strict energetic.
Din aceste considerente, pentru mai mult de 100 de ani, hidrocarburile au fost soluția
optima pentru propulsia automobilelor, asigurându-și astfel succesul în acest domeniu si
tot odata utilizarea ei in sectorul transporturilor. Totuși, acestea din urma sunt resurse
fosile, epuizabile. Mai mult, utilizarea lor este parte integranta a acumularii de emisii de
CO2 în atmosferă, ceea ce generează probleme globale din punct de vedere al modificărilor
climatice. Pe langa aceast aspect, din arderea lor rezulta emisii nocive de CnHn, CO, NOx si
particule.
Capitolul de fata oferă o sinteză a resurselor fosile mondiale, precum si o descriere
actuală a sectorului transporturilor. In final, acesta se încheie cu efectele arderii
combustibilului asupra mediului precum si emisiile provenite din sectorul transportului
in lume. Tot in inchieiere, sunt prezentate tendintele, din punct de vedere al emisiilor, in
domeniul auto.
1.1 Problema globală
Faptul că ţările dezvoltate şi puternic industrializate consumă mai multă energie
pe cap de locuitor (65%) decât ţările în curs de dezvoltare sau cele din lumea a treia, este
o problema foarte cunoscuta la nivel global. Este cunoscut şi faptul că există o corelaţie
între standardele de viaţă ale unei ţări şi consumul său energetic. În general, cu cât este
mai ridicat standardul de viaţă, cu atât este mai mare şi consumul energetic [23, 25].
Fig. 1.1, Epuizarea rezervelor globale de petrol
cu o rată de creştere a consumului anual de 1,2%
Cu toate că piaţa internaţională a comerţului de petrol şi gaze naturale este în
floare şi deoarece nu sunt semne reale care să arate o reducere semnificativă a
consumului energetic global, rezervele estimate şi data limită sugerează că epuizarea
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
8
rezervelor de petrol şi gaze naturale va reprezenta o problemă majoră la jumătatea
secolului XXI [8, 28].
Gaura produsă în disponibilitatea şi furnizarea energiei şi combustibililor care a
avut loc în anii 1970 demonstrează impactul potenţial asupra societăţii. Estimările
efectuate în perioada anilor 1970 arătau, de exemplu, că rezervele globale de gaze
naturale se vor epuiza până în anul 1995. Descoperirea unor noi rezerve, îmbunătăţirea
semnificativă a metodelor de extracţie şi procesare a gazului natural, eficienţa crescută a
echipamentelor finale în utilizarea gazului şi nu în ultimul rând rata de utilizare anuală
mai scăzută decât cea estimată, au contribuit toate ca estimările anterioare să nu se
adeverească (Fig. 1.1). Totuşi, când vine vorba de cerinţele energetice globale şi de faptul
ca este nevoie de perioade îndelungate de timp pentru a reface rezervele de combustibili
fosili, trebuie luat în considerare faptul că pământul nu este o sursă infinită de petrol sau
gaze [10, 24].
1.2 Transporturile in secolul XXI si evolutia parcului auto
Consumul energetic în sectorul transporturilor include energia consumată pentru
transportul persoanelor și bunurilor/mărfurilor pe șosea, cale ferată, aer, apă și conducte.
Transportul rutier se referă la vehicule ușoare (autmobile, vehicule utilitare sport,
minivanuri, camioane mici, motociclete) și la vehicule grele (camioane mari utilizate
pentru transportul măfurilor și autobuze pentru transportul persoanelor). Factorii cheie
care determină cererea în sectorul transporturilor sunt creșterea populației și a activității
economice [2, 30].
Fig. 1.2, Consum energetic pe regiuni 2008-2035. [29]
Cererea pentru combustibili lichizi în sectorul transporturilor va crește rapid în
următorii 25 de ani în comparație cu alte sectoare. Creșterile estimate vor fi mult mai
puternice în țările non-OECD decât în cele OECD unde nivelul consumului energetic legat
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
9
privind sectorul transporturilor va rămâne relativ stabil sau va descrește, după cum se
ilustrează în figura 1.2 [1, 2].
Figura 1.3, Autoturisme: a) producția mondială, b) înregistrări noi mondial 2010. [2]
Parcul mondial de autovehicule depaseste in prezent 1 miliard de unitati.
Cresterea sa este rapida, astfel ca in anul 1991 numara 589 de milioane, in anul 2000
numara 713 milioane iar in 2010 numara mai mult de 920 de milioane de unitati.
Repartitia geografica este de asemenea importanta. In anul 2010, aceasta arata astfel:
Fig. 1.6, Repartitia geografica a numarului de automobile, 2010
Previziunile arata ca parcul de automobile va fi de 2.5 miliarde in anul 2060,
inregistrand cresteri de peste 70% in regiuni in care nivelul de motorizare este in prezent
relativ redus, precum Africa centrala, India, China, etc [3].
Raportul intre vehiculele utilitare si cele particulare este un indicator interesant,
deoarece primele sunt in general echipate cu motoare diesel si consuma motorina, iar
celelalte sunt in majoritate echipate cu motoare cu aprindere prin scanteie.
Autovehiculele se pot incadra in trei categori, in ceea ce priveste tipul sursei de
propulsie utilizata: motor diesel, benzina sau hybrid (benzina-electric).
300
210
70
320
20
0
50
100
150
200
250
300
350
Tari membreOCDE
SUA Europa de EST Tari in curs dedezvoltare
China
Nu
mar
au
tom
ob
ile
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
10
Fig. 1.8, Consumul de combustibil pentru diferite surse de propulsie [l/100km]
Reprezentarile din figura 1.8 arata ca un autovehicul care functioneaza dupa ciclul
cu comprimare are consumuri mai bune decat unul cu aprindere prin scanteie. In schimb,
cand intervine si motorul electric alaturi de cel Otto (autovehiculul hibrid), vehiculul
hibrid are un consum mai bun in oras, deoarece motorul Otto functioneaza in permanenta
in regim stabilizat. In cazul circulatiei in trafic extraurban sau pe autostrada,
autovehiculul hibrid devine unul clasic, sursa de propulsie principala fiind motorul
termic.
1.3 Resursele energetice folosite in domeniul auto
Oil&Gas Journal a raportat că rezervele dovedite de petrol la 1 Ianuarie 2011 sunt
estimate la 1471 miliarde de barili (cu aproximativ 9% mai mult decât estimările pe
2010). Conform US-Energy Information Administration, aproximativ 51% din rezervele
dovedite de petrol sunt localizate in Orientul Mijlociu, și aproape 79% rezervele mondiale
reale de petrol sunt concentrate în 8 țări după cum se arată în figura 1.9 [29].
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Diesel
Benzina
Hybrid
Autostrada Interurban Urban
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
11
Fig. 1.9, Rezervele dovedite de petrol pe țări [29].
Este indiscutabil faptul că petrolul este o resursă finită și că posibilitățile de
producție vor deveni limitate la un moment dat. Acest lucru a generat un subiect de
dispută încă de la sfârșitul anilor 1880, cand se punea problema atingerii varfului
productiei mondiale. O alarmă falsă a fost data de împărțirea rezervelor și a consumului
de petrol fără a lua în considerare impactul modificărilor de preț sau accesibilitatea
comercială la rezervele neconvenționale de-a lungul timpului. Termenul “dovedite”
reprezintă atât un concept geologic, cât și unul economic [27].
Biocombustibilii au anumite limite, care au fost recunoscute, iar Comisia
Europeană a stabilit ”Politica Energetică pentru Europa”, un plan care prevede
introducerea a 10% biocombustibili în produsele petroliere comercializate la pompă în
Uniunea Europeană pentru toate statele membre până în 2020. [5]
1.4 Influența arderii combustibililor asupra mediului
In 1850 s-a definit termenul “smog” pentru combinația de fum (“smoke”) de
cărbuni și ceață (“fog”) care apărea frecvent deasupra Londrei. In 1873 și 1911, smogul a
fost acuzat ca ar fi cauzat moartea a 700 (19 persoane au murit cazând accidental în
Tamisa din cauza vizibilității), respectiv a 1150 de persoane. Cel mai grav eveniment a
fost înregistrat în Londra în 1953, la începutul lunii decembrie, când din cauza unei
inversiuni termice și a unui front staționar, vântul nu a mai bătut (0km/h). Evenimentul
a fost numit “Big Smoke”, cauzând reducerea vizibilității la 0 și la moartea a 4000 de
persoane în interval de 5 zile. In urma acestui eveniment, Anglia a adoptat Actul Clean Air
în 1956.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
12
Emisiile de CO2 și tendințele energetice din sectorul transporturilor sunt strâns
legate de creșterea populației și a veniturilor acesteia. Deși diferite țări și regiuni prezintă
modele diferite vis-a-vis de utilizarea energiei pe cap de locuitor și de tipurile de
combustibili utilizați, global, transportul depinde de petrol [19]. Biocombustibilii oferă
oportunități pentru reducerea seminficativă a cantității de CO2, dar cercetările
demonstrează până în acest moment, cu excepția etanolului din trestie de zahăr, că
valorile pe tonă de CO2 salvat sunt ridicate [9]. Ultimele date referitoare la eficiența
energetică a autovehiculelor noi arată că rata de îmbunătățire a crescut. În 2008 media
emisiilor de CO2/km a automobilelor noi era de 154 g. Valoarea aceasta este deasupra
obiectivului strabilit de 130 g CO2/km, dar arată o îmbunătățire față de anul 2007 (159 g
CO2/km) [10, 11].
Fig. 1.16, Emisiile CO2 pe diverse domenii
Figura 1.16 prezinta emisiile totale de CO2, corespunzatoare fiecarui domeniu in
parte. O valoare semnificativa de aproape 16% din total o au transporturile. Aici intra
emisiile emanate de autovehiculele personale dar precum si cele comerciale.
1.5 Cerinte privind consumul energetic si emisiile autovehiculelor
Pentru a realiza un consum redus de combustibil si emisii poluante mai reduse
provenite de la motoarele cu ardere interna, fara penalizari asupra performantelor, este
necesar sa se apeleze la toate solutiile noi de echipamente si sisteme disponibile si sa se
valorifice toate posibilitatile tehnice in vederea perfectionarii proceselor de formare a
amestecului si arderii, cu un randament cat mai ridicat.
Astfel, valori limita ale concentratiilor de CO, NOx, HC+NOx si PM din gazele arse
ale motoarelor cu ardere interna reglementate de Uniunea Europeana, ce fac referire la
standardele de poluare EURO1, 2, 3, 4, 5 si 6 pot fi analizate in tabelul 1.12.
Tabelul 1.12, Valorile limita pentru normele de poluare
Norma de
poluare
Data
intrarii in
vigoare
(an/luna)
Valori limita [g/km]
CO NOx HC+NOx PM
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
13
EURO 1 1992/07 2.72 - 0.97 0.14
EURO 2, ID 1996/01 1.0 (63.24%) - 0.70 (27.84%) 0.08 (42.86%)
EURO 2, IID 1996/01 1.0 (63.24%) - 0.90 (7.22%) 0.10 (28.57%)
EURO 3 2000/01 0.64 (36%) 0.5 0.56 (37.78%) 0.05 (50%)
EURO 4 2005/01 0.50 (21.88%) 0.25 (50%) 0.30 (46.43%) 0.025 (80%)
EURO 5 2009/09 0.50 (0%) 0.18 (28%) 0.23 (23.33%) 0.005 (80%)
EURO 6 2014/09 0.50 (0%) 0.08 (55.56%) 0.17 (26.09%) 0.005 (0%)
* valorile din paranteze reprezinta procentul reducerii emisiei poluante nou implementata fata de
cea din standardul de poluare anterior;
* incepand cu data 30.09.1999 motoarelor cu injectie indirecta (IID) li s-au impus valorile limita
ale emisiilor poluante chimice corespunzatoare motoarelor cu injectie directa (ID);
* incepand cu luna 01/2011 norma de poluare EURO 5 se aplica la toate modelele.
In ceea ce priveste consumul de carburant al autovehiculelor, acesta s-a ameliorat
in ultimii ani, ajungandu-se chiar pana la valori de 3l/100 km.
Marirea eficientei motoarelor de automobile pentru utiliza cat mai bine
combustibilul si a produce cat mai putine emisii poluante presupune cresterea
performantelor acestora, care se poate realiza prin mai multe solutii:
- ameliorarea parametrilor energetici ai ciclului motor;
- majorarea puterii pe unitate de cilindree prin supraalimentare;
- utilizarea de combustibili cu putere energetica mare;
- diminuarea pierderilor mecanice din sistemele motorului;
- antrenare cu surse energetice alternative a sistemelor auxiliare ale motorului;
Fig. 1.20, Evolutia puterii specifice a m.a.i pentru autovehicule (evaluare pe 105 motoare)
Figura 1.20 prezinta evolutia puterii specifice in intervalul 1970-2012, pentru
motoarele cu aprindere prin comprimare aspirate natural sau supraalimentate. Evolutiile
din ultimii ani in ceea ce priveste puterea specifica, indica faptul ca motoarele cu ardere
0
20
40
60
80
100
120
1970 1976 1982 1988 1994 2000 2006 2012
Pu
tere
a s
pe
cifi
ca [
kW
/dm
3]
Anul
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
14
interna folosesc din ce in ce mai eficient carburantul. Datorita acestui fapt, consumul
specific de carburant, in aceleasi conditii de sarcina si functionare, a scazut.
1.6 Concluzii
Consumul resurselor provenite din combustibili fosili in lume, este in crestere.
Aceste resurse, fosile, sunt limitate. De aceea, este necesar sa se reduca consumul de
carburant.
Emisiile sunt in crestere. Deseori provoaca degradarea mediului si produc
imbolnaviri globale. Acestea pot fi diminuate prin ameliorarea proceselor de ardere,
reducerea consumului specific de carburant si utilizarea unor carburanti alternativi, care
sa contina oxigen in structura moleculara (biocarburanti sau combustibili sintetici de
generatia a doua).
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
15
2. Analiza posibilitatilor tehnice de imbunatatire a
performantelor motoarelor cu aprindere prin comprimare
Dupa ce se realizeaza o evaluare a parametrilor ciclurilor m.a.i., sunt analizati
cativa factori care influenteaza in mod direct performantele motoarelor cu ardere interna
cu aprindere prin comprimare. Acestia sunt:
- ciclul dupa care functioneaza motorul cu ardere interna;
- factorii de stare - presiunea aerului;
- temperatura aerului;
- umiditatea aerului;
- factorii functionali - turatia motorului;
- parametri agentului de racire si a lubrifiantului;
- presiunea la sfarsitul admisiei (supraalimentarea);
- factorii constructivi - raportul de comprimare;
- raportul cursa/alezaj;
- numarul de cilindri;
- arhitectura camerei de ardere;
In urma analizei facute asupra resurselor energetice, transporturilor, emisiilor
poluante si a evaluarii tendintelor care se manifesta in domeniu, in lucrare sunt studiate
posibilitatile de majorare a parametrilor energetici si ecologici ai m.a.i. prin
supraalimentare.
2.1 Analiza ciclurilor motoarelor cu aprindere prin comprimare
Analiza ciclurilor isi propune sa evidentieze de principiile care le guverneaza,
precum si limitele celor reale si teoretice.
2.1.1 Ciclul cu ardere mixtă (diesel rapid)
Ciclul cu ardere mixtă este specific m.a.c. rapide pentru automobile. Din cauza
timpului scurt de injecție, întârzierea la autoaprindere a combustibilului impune un avans
la injecţie, care se traduce în fapt printr-o ardere iniţială în apropiere de p.m.i. ce poate fi
asimilată cu arderea izocoră. Restul combustibilului arde pe măsura injectării lui,
realizând în această etapă o ardere izobară, dupa cum se poate observa in figura 2.1.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
16
(a)
(b)
Fig. 2.1, Ciclul ideal al unui motor diesel rapid (a)
ciclul real al unui motor diesel rapid (b) [33]
in care: da – deschiderea supapei de admisie, ie – inchiderea supapei de evacuare, ia –
inchiderea supapei de admisie, de – deschiderea supapei de evacuare;
2.1.2 Ciclul cu ardere mixta, supraalimentat
Supraalimentarea unui motor cu ardere internă asigura majorarea masei aerului
proaspăt introdus în cilindri. Ca urmare a cresterii masei de aer proaspat este necesar sa
se mareasca si cantitatea de combustibil oferita ciclului. Ca urmare, presiunea medie
indicata a ciclului se va majora.
Supraalimentarea - naturala (supraalimentare acusticǎ)
- cu agregat
Antrenare - mecanicǎ
- electrica
- cu turbinǎ cu gaze
- mixtǎ
Agregat - compresor volumetric rotativ: – cu palete
- cu rotor profilat
- de tip G
- compresor dinamic: - axial
- centrifugal
- compresor cu unde de presiune
Ciclul teoretic al unui motor supraalimentat este prezentat in figura 2.2.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
17
Fig. 2.2, Ciclul mixt cu supraalimentare [34]
În cazul motoarelor cu ardere mixtă, evacuarea se efectuează după curba 4-6, deci
nu se utilizează complet căldura disponibilă. (Figura 2.2).
Aria haşurată ”456” din diagrama p-V reprezintă lucrul mecanic suplimentar care
poate fi folosit pentru antrenarea dispozitivului de supraalimentare. La acest ciclu cu
destindere prelungită lucrul mecanic obţinut suplimentar se datoreaza măririi volumului
în procesul destinderii, proces care continuă să se desfășoare în rețeaua de palete a
turbinei cu gaze (sau a compresorului cu unde de presiune), după curba 4-5.
2.1.3 Ciclul de ardere de tip Atkinson-Miller
In urma evaluarii ciclurilor teoretice, dupa care functioneaza m.a.i., rezulta ca
lucrul mecanic dezvoltat de acestea creste odata cu majorarea perioadei de destindere,
deci a intervalului in care gazele arse actioneaza asupra pistonului, aflat in cursa
descendenta. Aceasta posibilitate este oferita de ciclul Atkinson.
Primul inginer care întroduce în practică această idee, prin adoptarea unor curse
de destindere şi evacuare diferite, este Atkinson J.,în anul 1886 [56].
Fig. 2.3, Diagrama teoretica a ciclului Atkinson/Miller
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
18
Ciclul Miller vine ca o completare a ciclului Atkinson, el fiind caracterizat prin
cresterea intarzierii la inchidere a supapei de admisie, faţă de ciclurile reale. Ca efect, o
parte din aerul admis în cilindrii, este refulat înapoi în galeria de admisie în prima parte a
cursei de comprimare, când supapa de admisie este deschisă încă. Comprimarea propriu-
zisă începe, aşadar, numai după ce supapa de admisie se va închide [57].
2.2 Influenta factorilor de stare asupra performantelor motoarelor
Performanta energetica a unui motor cu ardere interna, aspirat natural, depinde
in mare masura de calitatea aerului admis (presiune, temperatura, umiditate). Aceste trei
marimi de stare ale aerului, influenteaza in mod direct densitatea acestuia.
Influenta acestor parametri asupra presiunii maxime a ciclului si lucrului mecanic
indicat ale unui motor cu aprindere prin comprimare aspirat natural, se pot observa in
graficele din figurile 2.4 si 2.5.
In figura 2.4 se pot observa influentele presiunii atmosferice asupra parametrilor
ciclului indicat.
Fig. 2.4, Influenta altitudinii asupra diagramei indicate
1: presiune 0 m altitudine, 1013.2 mbar, T = 20° C
2: presiune la 1000 m, 898.8 mbar, T = 20° C
3: presiune la 2000 m, 797.9 mbar, T = 20° C
In cazul in care temperatura ramane constanta iar presiunea atmosferica se
modifica in functie de inaltime, presiunea maxima din cilindru scade de la 81 bar (la
nivelul marii) la 62 bar (pentru altitudinea de 2000m), iar lucrul mecanic indicat al
ciclului scade cu 9%.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
19
Fig. 2.5, Influenta temperaturii atmosferice asupra diagramei indicate
T1 = 45° C, p = 1013.2 mbar
T2 = -15° C, p = 1013,2 mbar
Graficul din figura 2.5 ilustreaza faptul ca odata cu incalzirea aerului aspirat scade
performanta motorului, in conditiile in care presiunea ramane neschimbata. Pentru o
variatie a temperaturii de 60 grade, presiunea maxima din cilindru scade de la 81 bar
(pentru -15° C) la 77 bar (pentru 45° C). Lucrul mecanic indicat se micsoreaza in acest caz
cu 1%. Aceasta influenta a temperaturii nu este semnificativa, performantele motorului
diminuandu-se foarte putin.
2.3 Influenta factorilor functionali asupra performantelor motoarelor
2.3.1 Turatia motorului
Puterea dezvoltata de motoarele cu ardere interna este influentata de mai multi
parametri. Relatia dintre acesti parametri, este:
𝑃𝑒 = 𝑓(𝑄𝑖𝑛𝑓
𝐿𝑚𝑖𝑛⁄ ,
𝜂𝑖𝜆⁄ ,
1𝜏⁄ ∙ 𝜌0, 𝜂𝑉 , 𝑉𝐻, 𝑛) (2.15)
in care avem: puterea calorica interioara (Q_inf), cantitatea minima de aer necesara
arderii cantitatii de combustibil injectat (𝐿𝑚𝑖𝑛), randamentul indicat (𝜂𝑖), coeficientul de
exces de aer (λ), numarul de timpi ai motorului (𝜏), densitatea aerului aspirat (ρ0),
coeficientul de umplere (ηV), cilindreea totala (Vh), turatia motorului (n).
Daca toti termenii din ecuatia (2.15) raman constanti, atunci odata cu marirea
turatiei puterea creste proportiona. In realitate, majorarea turatiei duce la crestrea vitezei
pistonului si deci a pierderilor mecanice, intensificarea regimului termic si micsorarea
densiatii aerului urmare a incalzirii mai pronuntate pe traseul de admisie, diminuarea
timpului pentru formarea amestecului. In plus, odata cu marirea turatiei, coeficientul de
umplere se micsoreaza si miscarea aerului din cilindru se intensifica.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
20
2.3.2 Sarcina motorului
La motoarele cu aprindere prin comprimare variatia sarcinii se realizeaza prin
modificarea cantitatii de combustibil care se injecteaza pe ciclu (ΔGg), pentru o cantitate
de aer constanta introdusa pe ciclu. Rezistentele gazo-dinamice ale sistemului de admisie
nu depind de sarcina (la o turatie constanta). Asupra coeficientului de umplere la
motoarele cu aprindere prin comprimare, la modificarea sarcinii influenteaza numai
incalzirea aerului. La marirea sarcinii din cauza degajarii unei cantitati mai mari de
caldura creste regimul termic al motorului, aerul care patrunde in cilindru se incalzeste
mai intens iar coeficientul de umplere se micsoreaza.
2.3.3 Parametrii sistemelor de racire si lubrifiere
Pierderile de caldura prin peretii camerelor de ardere ajung, in functie de marimea
si conditiile de exploatare ale motorului, la 10 – 25%.
Temperatura camerei de ardere este controlata de lichidul de racire. Caldura
transferata de la gaz la pereti este cu atat mai redusa cu cat temperatura medie a peretilor
camerei de ardere (Tmp) este mai mare:
𝑄𝑟 = 𝛼1 ∙ 𝐹(𝑇𝑔 − 𝑇𝑚𝑝) (2.20)
unde: 𝛼1 – coeficientul de transmitere a caldurii; F – suprafata peretilor camerei de
ardere; Tg – temperature gazelor.
Cresterea temperaturii agentului de racire atrage dupa sine o majorare a regimului
termic a peretilor camerei de ardere si incarcaturii proaspete. Aceasta se constata ca
urmare a faptului ca diferenta de temperature (Tg - Tmp) nu scade pe masura asteptarilor
in timpul arderii si destinerii.
2.4 Influenta factorilor constructivi asupra performantelor motoarelor
2.4.1 Raportul de comprimare
Randamentul termic (ηt) al ciclului cu ardere mixta, dupa care functioneaza
motoarele cu aprindere prin comprimare pentru autovehiule, este influentat direct de
raportul de comprimare (ε):
𝜂𝑡 = 1 −1
𝜀𝑥−1∙
𝜋𝜌𝑘 − 1
(𝜋 − 1) + 𝑥𝜋(𝜌 − 1) (2.21)
in care: x – exponentul adiabatic; π – raportul de crestere a presiunii; ρ – gradul de
destindere prealabila.
Influenta raportului de comprimare asupra randamentului termic este evaluata in
figura 2.10. Prin majorarea lui de la 14 la 18, presiunea maxima din cilindru creste de la
105 bar la 124 bar, lucrul mecanic indicat imbunatatindu-se cu 11%.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
21
Fig. 2.10, Influenta raportului de comprimare asupra presiunii din cilindru
2.4.2 Raportul cursa/alezaj
Influenta raportului cursa/alezaj (S/D) asupra performantelor motoarelor
moderne pentru autovehicule este destul de complexa.
Schimbarea raportului S/D influenteaza si pierderile de caldura prin suprafata
camerei de ardere. Cerecetarile efectuate [30, 99, 100] pun in evidenta modificarea
indicilor efectivi ai motorului in functie de schimbarea raportului S/D la D = constant si
Wmp = constant, la Vh = constant si n = constant si la S = constant si n = constant.
Fig. 2.11, Influenta alezajului asupra
performantelor
Vr – varianta de referinta, D = 76 mm
V1 – varianta 1, D = 80 mm, V2 – varianta 2, D
= 70 mm
Fig. 2.12, Influenta cursei asupra
performantelor
Vr – varianta de referinta, S = 80.5 mm
V1 – varianta 1, S = 70.5 mm, V2 – varianta 2,
D = 90.5 mm
2.4.3 Numarul de cilindri
O problema interesanta si complexa o reprezinta alegerea numarului optim de
cilindri ai motorului la o cilindree data.
α [°RAC]
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
22
Din analiza factorului de compartimentare reiese ca marirea numarului de cilindri
este o masura pentru diminuarea solicitarilor si pierderilor mecanice. Conceperea
motoarelor cu un numar mai mare de cilindri de capacitate mai mica duce la scaderea
maselor in miscare alternativa si de rotatie si la imbunatatirea randamentului mecanic
(fig. 2.13) [61].
Fig. 2.13, Influenta capacitatii cilindrice asupra randamentului mecanic
Prin majorarea numarului de cilindri, la o capacitate cilindrica data se obtin:
- mai multe posibilitati pentru echilibrarea fortelor de inertie si a momentelor lor;
- imbunatatirea uniformitatii momentului motor;
- usurarea pornirii motorului.
Numarul de cilindri, la un motor cu capacitate cilindrica data, este limitat de
gabaritul fiecarui cilindru si de posibilitatea de a realiza un sistem de distributie simplu si
cu pierderi mecanice minime.
2.4.4 Influenta proprietatilor fizico-chimice ale combustibililor asupra
performantelor
Proprietatile fizico-chimice ale combustibilului exercita o influenta deosebita
asupra proceselor de formare a amestecului si arderii. Astfel, la valori ridicate ale cifrei
cetanice se scurteaza perioada de intarziere la autoaprindere si temperatura de
autoaprindere, iar motorul are o functionare silentioasa [26, 82, 111].
Reducerea cifrei cetanice sub 45 – 50 conduce la o inrautatire a calitatilor de
pornire, functionarea motorului cu gradienti mari de crestere a presiunii si cu mult fum,
precum si intensificarea formarii de depozite carbunoase in camera de ardere.
Motorinele cu cifre cetanice mai mari de 60 – 65 conduc la consumuri specifice de
combustibil mari, au temperaturi de congelare relativ ridicate si calitati de lubrifiere
diminuate.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
23
Rezulta ca cifra cetanica a combustibililor pentru motoarele cu aprindere prin
compresie trebuie sa nu fie cuprinsa intre 45 – 55 unitati, valoarea optima fiind functie de
tipul motorului si de conditiile de functionare ale acestuia [115].
2.5 Concluzii privind analiza solutiilor constructive
În urma studiului efectuat asupra motoarelor cu ardere internă, rezulta
următoarele aspecte:
- Motoarele cu ardere internă reprezintă pilonul principal în domeniul
transporturilor, contribuind astfel la dezvoltarea industriei;
- Diversitatea soluţiilor constructive ale motoarelor cu ardere internă, acoperă
nevoile populaţiei, indiferent de poziţionarea ei pe mapamond, ele fiind adaptate atât
la sursele de carburant existente, cât şi la condiţiile climatice din zona în care sunt
exploatate;
- Raportul dintre consumul şi disponibilitatea resurselor energetice la nivel global,
indică un deficit al acestora din urma. O solutie pentru a creste perioada de exploatare
a combustibililor fosili este aceea a reducerii consumului de carburanti a mijloacelor
de transport. De aici, solutiile tehnice care trebuie concepute pentru m.a.i.
2.6 Obiectivele si etapele dezvoltarii lucrarii
2.6.1 Definirea temei si structura lucrarii
Lucrarea de fata are ca tema acordarea unui sistem de supraalimentare cu unde de
presiune cu un motor cu ardere interna cu aprindere prin comprimare, modern.
Având în vedere faptul că omogenizarea amestecului de combustibil, în cazul
motoarelor cu aprindere prin comprimare, are în componență doi parametrii esenţiali:
aerul şi combustibilul, care se întâlnesc în interiorul camerei de ardere, se observă astfel
posibilitatea de a acţiona asupra unuia dintre aceştia. Ameliorarea unuia dintre parametri
enumerati, atrage dupa sine si ameliorarea celui de-al doilea, in vederea imbunatatirii
performantelor energetice si ecologice.
Mergand pe linia imbunatatirii aportului de aer adus unui motor cu ardere interna
cu aprindere prin comprimare, teza a fost structurata conform urmatoarelor capitole:
- In capitolul 1 au fost trecute in vedere rezervele mondiale de petrol, structura si
marimea parcului auto precum si emisiile poluante provenite din transporturi;
- Capitolul 2 constituie un studiu critic asupra performantelor motoarelor cu
ardere interna cu aprindere prin comprimare, a ciclurilor acestora precum si a
cailor de optimizare a performantelor;
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
24
- In urma concluziilor capitolelor 1 si 2, capitolul 3 face o introducere in sistemele
de supraalimentare folosite pentru motoarele de automobile, precum si selectia si
justificarea celui cu unde de presiune;
- Capitolul 4 descrie elementele principale ale unui compresor cu unde de presiune,
expune principiul de functionare al acestuia, precum si avantajele si dezavantajele
lui. Mergand pe linia dezavantajelor, cateva imbunatatiri constructive au fost
aduse unui agregat de tip Comprex, pentru a-i elimina o parte din neajunsuri.
Aceste modificari sunt prezentate in prezentul capitol, si analizate mai apoi in
mediu virtual sau experimental.
- In Capitlul 5 sunt efectuate o serie de simulari virtuale referitoare la procesele din
motoarele cu aprindere prin comprimare supraalimentate cu agregat cu unde de
presiune, la acordarea unui astfel de agregat cu motorul cu ardere interna precum
si la fenomenele dinamice din agregat. Capitolul 5 contine de asemenea si
descrierea soft-urilor de simulare precum si modelele matematice folosite.
- In capitolul 6 sunt prezentate echipamentele de masura folosite in investigatiile
experimentale, precum si motorul cu ardere interna montat pe stand. Aici, se mai
gasesc si constructia si modul de acordare a supraalimentatorului cu unde de
presiune cu motorul cu ardere interna.
- Capitolul 7 prezinta pe larg rezultatele simularilor virtuale precum si cele
obtinute prin investigatii experimentale. Sunt validate modelele de analiza folosite,
si sunt puse in evidenta avantajele si dezavantajele optimizarilor aduse pe cale
experimentala agregatului cu unde de presiune;
- In Capitolul 8 sunt prezentate concluziile finale, contributiile personale si
directiile viitoare de cercetare.
2.6.2 Obiectivele lucrarii
In urma analizei efectuate asupra energiei, mediului si emisiilor poluante, dar si a
solutiilor tehnice de motoare cu ardere interna, lucrarea de fata trateaza obiectivele
mentionate in cele ce urmeaza.
Problema globala care se pune la momentul actual este reducerea utilizarii
combustibililor fosili, deoarece acestia din urma sunt in scadere continua. In ritmul actual
de consum, conform figurii 1.1, rezervele nu ne ajung mai mult de anul 2025. Daca reusim
prin diverse metode sa reducem consumul resurselor fosile, rezervele ne vor putea ajunge
pana in anul 2050. In acest context, primul obiectiv trasat a fost trasarea unei vederi de
ansamblu asupra resurselor energetice, consumului, emisiilor, transporturilor.
Concluzia primului capitol a fost urmatoarea: este necesar sa imbunatatim
performanta motoarelor cu ardere interna, pentru a reduce consumul de carburant si
emisiile poluante. Din aceasta concluzie, trasam al doilea obiectiv, si acela de a analiza
potentialul de imbunatatire al performantelor unui motor cu aprindere prin
comprimare, inclusiv analiza ciclurilor.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
25
In urma analizei mai sus mentionate, s-a ajuns la concluzia ca un motor
supraalimentat, de orice natura, prezinta caracteristici de cuplu si putere imbunatatite,
precum si un consum de carburant mult redus, fata de unul aspirat natural. Plecand de la
aceasta premiza, urmator obiectiv va fi analiza posibilitatilor tehnice de realizare a
supraalimentarii motoarelor cu ardere interna. Acest obiectiv are ca scop,
evidentierea avantajelo dar si a dezavantajelor diferitelor agregate de supraalimentare.
Dupa analiza solutiilor tehnice de realizare a supraalimentarii, s-a ajuns la
urmatoarea concluzie: compresorul cu unde de presiune prezinta cele mai bune
caracteristici de cuplu si putere in conditiile unui consum de combustibil redus, la turatii
mici si medii. De aici, acordarea unui motor cu ardere interna cu aprindere prin
comprimare cu agregatul de supraalimentare cu unde de presiune este necesar sa se
realizeze in conditii optime.
Acordarea compresorului cu unde de presiune cu motorul cu ardere interna este o
operatiune importanta. Inainte de efectuarea acestei operatiuni, este necesara efectuarea
unor simulari virtuale, pentru a identifica zona in care se incadreaza turatiile
compresorului. In acest sens, conceperea modelelor matematice pentru arderea in
motorul cu ardere interna si pentru functionarea compresorului cu unde de
presiune, au reprezentat un obiectiv solid al tezei.
Dupa identificarea turatiilor in care se incadreaza compresorul cu unde de
presiune, se trece la echiparea efectiva a motorului din componenta standului Horiba cu
un agregat cu unde de presiune. Agregatul cu unde de presiune folosit este de tip Comprex
CX-93, provenit de pe un autoturism Mazda, fabricat in anul 1990. Realizarea structurii
echipamentelor pentru cercetarea experimentala reprezinta urmatorul obiectiv al
tezei.
Achizita si prelucrarea datelor experimentale reprezinta un punct vital in
dezvoltarea tezei. Senzorii de presiune, temperatura si viteza aer trebuiesc montati,
calibrati si configurati in interfata de lucru a standului de incercari.
Dupa configurarea senzorilor si a aparaturii de masurare, se trece la cercetarea
comportamentului motorului supraalimentat cu compresor cu unde de presiune.
Sunt trasate curbele de cuplu si putere, in concordanta cu cele de consum. Inainte de acest
pas, au fost efectuate masuratori complete pe motorul din componenta standului in
configuratia aspirat natural, pentru a avea cateva valori de referinta si a evidentia
avantajul supraalimentarii.
Performantele agregatului cu unde de presiune, in special la turatii scazute ale
motorului, sunt notabile. Cu toate acestea, agregatul prezinta potential de imbunatatire,
conform simularilor efectuate. In acest sens, optimizarea constructiva a agregatului cu
unde de presiune a fost facuta pe baza unui set de simulari efectuat in prealabil.
Optimizarea constructiva, presupune confectionarea unui nou arbore si montarea de
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
26
rulmenti clasici, modificarea unghiurilor ferestrelor carcasei de evacuare precum si
modificarea defazajului dintre carcasa de evacuare si cea de admisie, a compresorului.
Urmatorul pas, dupa culegerea datelor experimentale, il constituie calibrarea
modelelor virtuale efectuate in AVL Boost si AVL Fire, ambele softuri in versiune 2010.
Modele virtuale realizate inainte de efectuarea investigatiilor experimentale, prezinta
cateva mici neregularitati, datorita coeficientilor si parametrilor din program. Acesti
parametri, au fost adaptati ulterior, pe baza informatiilor experimentale.
Evaluarea limitelor energetice si ecologice a motorului cu aprindere prin
comprimare constituie urmatoarea etapa. Dupa acordarea agregatului cu unde de
presiune, trebuiesc investigate performantele maxime ale motorului, in vederea
evidentierii variantelor optime ale solutiilor imbunatatite ale agregatului cu unde de
presiune.
In final, s-a trecut la formularea unor concluzii si pareri personale referitoare
la toate aspectele tratate, care in final pot fi utile pentru cercetari, dar si nu numai. Tot
aici, au fost indicate cateva directii viitoare in care se pot indrepta cercetarile, din punct
de vedere al autorului tezei.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
27
3. Studiul sistemelor de supraalimentare folosite la m.a.i.
pentru automobile
3.1 Introducere
Scopul supraalimentării unui motor cu ardere internă este creşterea densităţii
amestecului proaspăt introdus în cilindri. Această creştere a densităţii va determina
creşterea masei amestecului proaspăt cuprins în cilindri, iar acest lucru produce o
creştere a puterii motorului [49].
În figura 3.1 se prezintă comparativ, ciclurile teoretice în coordonate p-V a unui
motor cu aprindere prin comprimare (m.a.c.) în 4 timpi, aspirat natural, respectiv
supraalimentat.
a) m.a.c. aspiraţie naturală b) m.a.c. supraalimentat
Fig. 3.1. Ciclul teoretic al unui m.a.c. [33]
La motorul supraalimentat, lucrul mecanic consumat pentru umplerea cilindrului
(suprafaţa 0-1-7-8) este pozitiv, iar la motorul cu aspiraţie naturală, acelaşi lucru
mecanic este negativ, deoarece presiunea de admisie este mai mică decât cea
atmosferică (pat). Se mai poate observa că presiunea maximă a ciclului este mai mare la
motorul supraalimentat decât la cel cu aspiraţie naturală. Privind comparativ cele 2
grafice este evident că lucrul mecanic efectiv, respectiv Lme, este mai mare în cazul
motorului supraalimentat.
3.1.2 Clasificarea procedeelor de supraalimentare
In sub-capitolul 2.1 au fost analizate ciclurile motoarelor cu ardere interna, printre
care si ciclul motorului supraalimentat. Aici au fost expuse criteriile de clasificare a
procedeelor de supraalimentare.
Tipurile supraalimentarii, in functie de presiunea aerului furnizat motorului, se
pot clasifica dupa urmatoarele criterii [49]:
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
28
Tipul supraalimentării Psa [bar] 𝝅𝒔𝒂
aspiraţie naturală 0 şi < 0 1 şi < 1
joasă 0,0 ÷ 0,5 1,0 ÷ 1,5
medie 0,5 ÷1 1,5 ÷2
înaltă 1 şi > 1 2 şi > 2
3.2 Supraalimentarea acustica
Supraalimentarea acustică se realizează fără ajutorul unui agregat de
supraalimentare, creşterea presiunii datorându-se fenomenelor dinamice care au loc în
timpul admisiei amestecului proaspăt în cilindru [46].
În figura 3.3. se prezintă influenţa turaţiei asupra coeficientului de umplere ( ηv)
pentru un motor cu 6 cilindri şi o cilindree totală de 3500 cm3. În cazul a) s-a considerat
lungimea colectorului de admisie constantă (Lca = 600 mm), iar în cazul b) s-a considerat
diametrul colectorului de admisie constant (Dca = 40 mm). [1]
Analizând graficele din figura 3.3. se pot trage următoarele concluzii:
pentru un colector de admisie cu diametrul constant, coeficientul de umplere scade
cu creşterea turaţiei;
pentru un colector de admisie cu diametrul constant, coeficientul de umplere atinge
un maxim la o turaţie mai scăzută cu cât lungimea colectorului este mai mare;
pentru un colector de admisie de lungime constantă, coeficientul de umplere atinge
un maxim la o turaţie mai scăzută cu cât diametrul colectorului este mai mic.
a) b)
Fig. 3.3 Influenţa turaţiei motorului asupra
coeficientului de umplere pentru diferite colectoare de admisie [49]
Deschiderea bruscă a supapei de admisie produce o undă de presiune negativă
care va parcurge colectorul de admisie cu viteza sunetului. Când unda negativă ajunge la
capătul colectorului se reflectă în atmosferă şi se întoarce spre poarta supapei ca undă
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
29
pozitivă de presiune. În momentul în care unda de presiune pozitivă ajunge în poarta
supapei se reflectă din nou ca undă de presiune negativă, însă cu o amplitudine mai mică
decât cea iniţială datorită frecărilor. Procesul se repetă până la amortizarea completă a
oscilaţiilor.
3.3 Supraalimentarea cu agregat antrenat mecanic
În sub-capitolul 3.1 s-a făcut o împărţire a tipurilor de supraalimentare având
drept criteriu de clasificare agregatul de supraalimentare. După cum s-a subliniat în
cadrul sub-capitolului 3.2, la supraalimentarea acustică nu se foloseşte nici un agregat
pentru creşterea presiunii amestecului proaspăt introdus în cilindri, însă la celelalte tipuri
de supraalimentare se utilizează un agregat specializat. Antrenarea agregatului poate
fi mecanică, electrică, sau cu turbină cu gaze. Există cazuri când supraalimentarea este
realizată cu mai multe agregate, unele fiind antrenate mecanic, iar altele cu ajutorul
gazelor de evacuare.
3.3.1 Agregate de supraalimentare cu palete tangenţiale
Agregatele de supraalimentare cu palete se caracterizează prin simplitate
constructivă, însă performanţele acestui tip de agregat nu sunt foarte bune datorită
scăpărilor mari de aer [46].
În figura 3.9 se prezintă un agregat de supraalimentare cu palete tangenţiale.
Principalele componente ale agregatului sunt: 1 - carcasa exterioară; 2 - palete; 3 -
fereastră de evacuare a aerului comprimat; 4 - rotor excentric; 5 - fulie de antrenare.
Fig. 3.9, Agregat de supraalimentare cu palete tangenţiale [49]
Agregatul este acţionat direct de la motor prin intermediul unei curele dinţate ce
antrenează fulia 5. Paletele împart spaţiul dintre carcasă şi rotor în patru celule. Datorită
poziţionării excentrice a rotorului faţă de carcasă, în timpul antrenării agregatului
volumul cuprins între două palete se micşorează, comprimând aerul. Paletele sunt
dispuse pe o direcţie tangenţială pentru a micşora solicitările mecanice şi frecarea
dintre acestea şi carcasă. Procesele şi modul de funcţionare a agregatului se pot urmării
în figura 3.10:
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
30
3.3.2 Agregate de supraalimentare cu rotoare profilate
3.3.2.1 Agregat de supraalimentare de tip Roots
Agregatul de supraalimentare de tip Roots este un compresor volumetric cu 2
rotoare care se rotesc cu aceeaşi turaţie, dar în sensuri opuse. În timpul rotaţiei, rotoarele
nu sunt în contact unul cu altul şi nici cu carcasa agregatului. Distanţele dintre cele 2
rotoare şi dintre rotor şi carcasă sunt de 0,1 ÷ 0,2 mm. Rotorul poate avea 2 sau 3
lobi. Principalele componente ale unui agregat de supraalimentare de tip Roots sunt
prezentate în figura 3.17.:
Fig. 3.17, Agregat de supraalimentare de tip Roots [46, 49]
In care: 1 - fulie de antrenare; 2 - roată dinţată; 3 - pinion; 4 - carcasă; 5 - fereastră de
evacuare; 6 - rotor; 7 - lobi.
La compresorul Roots cu rotoare cu 3 lobi, scăpările de aer datorate
neetenşeităţiilor sunt mai mici decât la cel cu 2 lobi, iar presiunea de refulare este mai
uniformă, deoarece la o rotaţie completă a rotorului vom avea trei descărcări în loc de
două.
3.3.2.2 Agregat de supraalimentare de tip Sprintex (sau “surub”)
Acest tip agregat are în componenţa sa 2 rotoare profilate, însă ele nu au aceeaşi
formă, după cum se poate vedea şi în figura 2.30. Astfel, un rotor are patru lobi convecşi,
iar celălalt şase lobi concavi. Ambele rotoare sunt spiralate, astfel încât să nu existe
contact între ele. De asemenea cele 2 rotoare nu sunt în contact nici cu carcasa agregatului.
Rotoarele sunt realizate din aliaje de magneziu îmbrăcate în teflon, iar distanţele dintre
ele sunt de 50 ÷ 100 µm. Raportul de transmitere dintre pinionul care antrenează rotorul
concav şi roata dinţată a rotorului convex este de 2:3. Agregatul este antrenat de la motor
cu o curea dinţată prin intermediul unei fulii care se află pe acelaşi arbore cu rotorul
concav.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
31
Fig. 3.25, Agregat de supraalimentare de tip Sprintex [49, 50]
In care: 1 - fulie de antrenare; 2 - roţi dinţate; 3 - fereastră de admisie; 4 - carcasă
exterioară; 5 - rotor cu şase lobi concavi; 6 - rotor cu patru lobi convecşi; 7 – rulmenţi.
Din aceeaşi familie de agregate fac parte şi compresoarele Lysholm. Spre deosebire
de compresoarele Sprintex, agregatele Lysholm au rotoare cu trei şi cinci lobi, iar admisia
aerului se face axial.
3.3.3 Alte agregate de supraalimentare cu antrenare mecanică
3.3.3.1 Agregat de supraalimentare de tip G
Acest tip de agregat de supraalimentare este format din două semicarcase
despărţite de un disc care realizează o mişcare plan-paralelă. Discul este montat pe un
arbore excentric, iar mişcarea plan-paralelă este realizată cu ajutorul unui arbore
secundar. Arborele principal antrenează arborele secundar cu ajutorul unei curele
dinţate. Cei doi arbori au aceeaşi excentricitate şi se rotesc cu aceeaşi turaţie. Atât
semicarcasele cât şi discul prezintă câte doi pereţi în formă de spirală care delimitează
camerele în care evoluează fluidul de lucru. Pereţii semicarcaselor şi cei ai discului mobil
se intercalează, iar camerele formate sunt etanşate cu ajutorul unor garnituri, (fig. 3.30).
Fig. 3.30, Componentele principale ale unui agregat de supraalimentare de tip G [49]
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
32
in care: 1 - semicarcasă stânga; 2 - semicarcasă dreapta; 3 - admisie amestec proaspăt; 4
- evacuare amestec comprimat; 5 - pereţi spiralaţi semicarcasă; 6 - disc; 7 - pereţi spiralaţi
disc; 8 - arbore excentric principal; 9 - arbore excentric secundar.
3.3.3.2 Compresorul centrifugal
Principalele componente ale unui compresorul centrifugal cu antrenare mecanică
sunt: rotorul pe care sunt fixate palete dispuse radial, carcasa şi amplificatorul de turaţie,
(fig. 3.36), [62]. Rotorul cu palete şi carcasa agregatului sunt realizate din aliaje de
aluminiu.
Fig. 3.36, Compresor centrifugal antrenat mecanic [49]
In care: 1 - amplificator de turaţie; 2 - rotor suflantă; 3 - colector; 4 - canal de admisie aer;
5 – difuzor.
3.3.4 Comparaţie între agregatele de supraalimentare cu antrenare mecanică
Din punct de vedere energetic, cel mai important criteriu de comparaţie pentru
agregatele de supraalimentare cu antrenare mecanică este lucrul mecanic consumat
pentru comprimare. Urmărind acest criteriu, se poate face o comparaţie între agregatele
de supraalimentare cu antrenare mecanică studiate, (cu palete, de tip Roots, de tip
Sprintex şi de tip G), dacă se fac următoarele consideraţii: compresoarele au acelaşi volum
maxim şi realizează aceeaşi presiune maximă de supraalimentare. Comparând diagramele
p - V din figura 3.40, observăm că agregatele de tip Sprintex şi de tip G au consumul de
lucru mecanic cel mai redus, iar compresorul Roots are consumul cel mai ridicat.
În concluzie, cel mai performant agregat de supraalimentare cu antrenare
mecanică este compresorul Sprintex. În vederea optimizării acordării agregatului cu
motorul pentru toate regimurile de turaţie, se recomandă utilizarea unui sistem cu sistem
de admise cu by-pass, şi antrenare cu ajutorul unui cuplaj electromagnetic.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
33
Supraalimentarea mecanică se recomandă în special motoarelor cu aprindere prin
scânteie datorită răspunsului foarte bun la acceleraţie şi valorilor relativ scăzute a
presiunii de supraalimentare. La acest gen de motoare există pericolul apariţiei detonaţiei
şi din această cauză presiunea de supraalimentare trebuie să aibă valori moderate.
3.4 Supraalimentarea cu turbosuflanta
Un motor cu ardere internă, (m.a.i.), cu aspiraţie naturală reuşeşte să convertească
în lucru mecanic efectiv doar o parte din energia obţinută prin arderea combustibilului.
Eficienţa unui astfel de motor este de 30 până la 40%, valorile mai ridicate fiind pentru
motoarele cu aprindere prin comprimare (m.a.c.), iar cele mai scăzute pentru motoarele
cu aprindere prin scânteie (m.a.s.). Restul de energie este pierdută prin frecare şi cedare
de căldură, cea mai mare pondere având-o pierderile de căldură prin intermediul gazelor
de evacuare [34, 68].
Agregatul de turbosupraalimentare utilizează o parte a energiei conţinută în
gazele de evacuare pentru a antrena o turbină. Aceasta antrenează la rândul ei un
compresor centrifugal, (suflanta), care se află pe acelaşi arbore cu turbina şi care
comprimă amestecul proaspăt.
Randamentul unui motor turbosupraalimentat este mai bun decât cel al unui
motor supraalimentat mecanic, deoarece turbosuflanta nu utilizează o parte din puterea
motorului pentru comprimarea amestecului proaspăt, ci foloseşte energia gazelor de
evacuare pentru a realiza acest lucru. Pe de altă parte, agregatul de turbosupraalimentare
înrăutăţeşte evacuarea gazelor arse din cilindru prin frânarea lor în turbină.
Dacă privim pe diagrama teoretică p-V a unui m.a.s. din figura 3.41. suprafaţa
închisă 4-5-6-4 reprezintă lucrul mecanic disponibil pentru antrenarea turbosuflantei:
Fig. 3.41, Diagrama p - V teoretică a unui m.a.i. [35]
In care: Lm1 - lucrul mecanic efectiv; Lm2 - lucrul mecanic de pompaj; Lm3 - lucrul mecanic
disponibil pentru antrenarea turbosuflantei.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
34
Fig. 3.42, Principalele componente ale unei turbosuflante [49]
In care: 1 - arbore turbosuflantă; 2 - difuzor paralel suflantă; 3 - deflector de ulei; 4 -
evacuare ulei; 5 - lagăre de alunecare; 6 - canal de admisie turbină; 7 - canal de evacuare
turbină; 8 - rotor cu palete turbină; 9 - carcasă turbină; 10 - scut termic; 11 - admise ulei;
12 - colector divergent suflantă; 13 - rotor cu palete suflantă; 14 - canal de admisie
suflantă.
Suflanta şi turbina sunt unite de arborele turbosuflantei prin diferite procedee de
sudură, cel mai folosit fiind sudura prin presiune. Părţile care urmează să fie sudate sunt
puse în contact şi rotite până când materialul se topeşte, datorită căldurii generate prin
frecare. Când zona de îmbinare e suficient de plastică, se opreşte rotaţia, iar piesele sunt
presate una într- alta, realizându-se astfel sudura. Următorul proces tehnologic constă în
îndepărtarea bavurilor ce rezultă în urma sudurii.
La m.a.c.-uri, turbosupraalimentarea reduce consumul specific de combustibil în
raport cu un motor cu aspiraţie naturală. Scăderea consumului specific la m.a.c.-urile
turbosupraalimentate este mai pronunţată cu cât este mai redusă sarcina motorului.
Datorită aportului suplimentar de aer care are loc odată cu creşterea turaţiei, un m.a.c.
turbosupraalimentat emite o cantitatea de fum mult mai redusă faţă de un motor cu
aspiraţie naturală.
La motoarele cu aprindere prin scânteie turbosupraalimentate se recomandă
reducerea raportului de comprimare al motorului datorită pericolului apariţiei
detonaţiei. M.a.s.-ul turbosupraalimentat are un consum specific mai ridicat, însă
caracteristicile de putere şi cuplu sunt superioare faţă de unul cu aspiraţie naturală de
aceleaşi dimensiuni [18, 50].
Turbosupraalimentarea se caracterizează printr-o psa destul de ridicată. Din
această cauză, amestecul proaspăt introdus în cilindri trebuie răcit cu ajutorul unui
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
35
intercooler. Avantajele utilizării intercooler-ului asupra consumului specific, cuplului şi
puterii pentru un m.a.c. cu injecţiei directă pot fi vizualizate în figurile 3.49 şi 3.50, [1]:
Fig. 3.49, Comparaţie între caracteristicile de
sarcină pentru un motor cu aspiraţie aturală
(1), turbosupraalimentat (2), şi
turbosupraalimentat cu intercooler (3) [49]
Fig. 3.50, Caracteristicile de cuplu şi putere
pentru un motor aspirat, turbosupraalimentat,
şi turbosupraalimentat cu intercooler [49]
In care: M1 - cuplul motorului aspirat; M2 - cuplul motorului turbosupraalimentat; M3 -
cuplul motorului turbosupraalimentat + intercooler; P1 - puterea motorului aspirat; P2 -
puterea motorului turbosupraalimentat; P3 - puterea motorului turbosupraalimentat +
intercooler.
3.5 Supraalimentarea cu unde de presiune
Supraalimentarea cu unde de presiune se realizează cu un agregat numit Comprex
Fig. 3.51). Acest gen de supraalimentare a fost iniţial dezvoltată de firma Brown Boveri
din Elveţia. Ca şi în cazul turbosupraalimentării, comprimarea amestecului proaspăt este
realizată prin intermediul gazelor de evacuare. Antrenarea agregatului de
supraalimentare cu unde de presiune este făcută de motor prin intermediul unei
transmisii cu curea dinţată, însă lucrul mecanic de comprimare e realizat de gazele arse
[48, 58].
Fig. 3.51, Compresor cu unde de presiune
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
36
Agregatul de supraalimentare cu unde de presiune (Comprex), poate realiza
rapoarte de supraalimentare mari (2 ÷ 2,8) fiind o soluţie foarte atractivă pentru
supraalimentarea m.a.c.-urilor. Şi m.a.s.-urile pot fi supraalimentate prin această metodă,
însă datorită presiunii mari de supraalimentare există pericolul apariţiei detonaţiei [51].
De asemenea, datorita vitezelor de ordin sonic al undelor de presiune, compresia
are loc intr-un timp foarte scurt, rezultand astfel o reactie rapida a sistemului de
supraalimentare in timpul reprizelor de acceleratie, dupa cum se poate vedea si in figura
3.53.
Fig. 3.53, Comparatie a timpilor de raspuns intre un
compresor cu unde de presiune si o turbosuflanta [49]
Datorita eficientei sale superioare, compresorul cu unde de presiune este capabil
sa realizeze presiune de supraalimentare ridicate. Pentru evitarea suprasolicitarii
mecanismului motor se recomanda, la fel ca la turbosuflanta, utilizarea unei supape de
scapari controlate de tip wastegate dar si racirea intermediara a aerului comprimat cu
ajutorul unui intercooler.
3.6 Supraalimentarea mixta
Prima varianta de supraalimentare mixta se refera la folosirea a doua tipuri de
agregate pentru supraalimentarea unui motor cu ardere interna, si anume: compresor de
tip Roots si turbosuflanta.
Acest tip de supraalimentare combina calitatile dinamice ale supraalimentarii
mecanice cu eficienta turbo-supraalimentarii. Dupa cum se poate vedea si in figura 3.54,
sistemul consta dintr-un compresor volumetric (2), antrenat direct de motor (1) prin
intermediul transmisiei (4). Compresorul este utilizat pentru asigurarea presiunii de
supraalimentare necasare atunci cand debitul de gaze arse este prea mic pentru ca
turbosuflanta (3) sa functioneze eficient. Totodata raspunsul motorului in timpul unui
palier de acceleratie va fi foarte prompt, fiind eliminata astfel intarzierea de activare
specifica turbo-supraalimentarii. Cand fluxul de gaze arse este suficient de mare pentru
ca turbosuflanta sa opereze in conditii optime, se decupleaza antrenarea compresorului
in vederea reducerii consumului de combustibil, iar aerul de admisie este ghidat direct
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
37
spre suflanta prin intermediul unor clapete obturatoare (8). Cu ajutorul acestui sistem de
supraalimentare se pot obtine presiuni relativ ridicate, din aceasta cauza fiind necesara
utilizarea racitorului intermediar de aer (5) si a supapelor de control de gen blow-off (6)
si wastegate (7).
Fig. 3.54, Sistem de supraalimentare mixta (VW) [64, 105]
Desi performantele supraalimentarii mixte sunt superioare celor doua tipuri de
supraalimentare pe care le inglobeaza, complexitatea ridicata si costurile suplimentare pe
care aceasta le implica limiteaza raspandirea pe scara larga a acestei metode de
supraalimentare.
Al doilea tip de supraalimentare mixta prezentat, se refera la modul de actionare
al supraalimentatorului, care in cazul de fata este cu antrenare mecanica sau electrica.
Acest patent apartine firmei Schaeffler Technology, si poate fi observat in figura 3.55.
Fig. 3.55, Sistem de supraalimentare cu antrenare mixta [69]
Sistemul prezentat in figura 3.55 este practic un compresor centrifugal la care s-a
aplicat o automatizare. Sistemul dispune de un electromotor-generator, care poate
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
38
accelera viteza compresorului individual de viteza motorului cu ardere interna. La turatii
mici ale motorului (800-1600 rpm) motorul electric accelereaza compresorul pentru a
mari aportul de aer adus motorului cu ardere interna. Acest consum de energie nu este
foarte mare si poate fi chiar energie verde, in cazul in care autovehiculul pe care a fost
montat acest tip de compresor beneficiaza de frane regenerative, si stocheaza energia
inertiala de franare a autovehiculului in baterii, care mai apoi sa fie folosita la marirea
turatiei compresorului.
3.7 Concluzii
O supraalimentare a motoarelor cu ardere internă corect realizată duce la o
îmbunătăţire a performanţelor energetice ale acestora. Astfel, randamentul global creşte,
la fel puterea şi cuplul motorului, iar consumul specific se îmbunătăţeşte.
Odata cu creşterea presiunii de supraalimentare creşte şi temperatura
amestecului proaspăt. Deoarece densitatea amestecului proaspăt scade cu creşterea
temperaturii, acesta trebuie răcit într-un intercooler pentru a nu anula efectul pozitiv al
creşterii presiunii.
Supraalimentarea acustică este o soluţie foarte atractivă pentru îmbunătăţirea
coeficientului de umplere la motoarele cu aspiraţie naturală, însă stăpânirea şi folosirea
eficientă a fenomenelor dinamice ce au loc în sistemul de admisie necesită cercetări
teoretice şi experimentale de o complexitate ridicată.
În cazul supraalimentării acustice şi mecanice, psa are valori moderate astfel că
motorul nu necesită modificări deosebite. Dacă se utilizează rapoarte mari de
comprimare, ca în cazul turbosupraalimentării şi a supraalimentări cu unde de presiune,
este necesară o îmbunătăţire a rezistenţei mecanice şi termice a motorului datorită
creşterii presiunii şi temperaturii maxime din cilindru.
Turbosupraalimentarea poate realiza presiuni de supraalimentare mari şi medii,
însă răspunsul la acceleraţie este destul de lent, iar performanţele turbosuflantei la sarcini
reduse ale motorului sunt scăzute. Prin utilizarea unor turbosuflante de dimensiuni mai
reduse şi a unor sisteme auxiliare ca cele prezentate în subcapitolul 3.3.1. se pot elimina
aceste dezavantaje.
Supraalimentarea cu unde de presiune realizează performanţe mai bune decât
turbosupraalimentarea, iar timpul de răspuns la acceleraţie este destul de rapid.
Principalul dezavantaj al acestui gen de supraalimentare este dificultatea acordării
Comprex-ului cu condiţiile de funcţionare ale motorului.
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
39
4. Compresorul cu unde de presiune. Principiul de
functionare. Constructie. Optimizare
4.1 Istoric și aplicaţii
Cercetǎrile teoretice și experimentale realizate de cǎtre Knauff (1906), Burghard
(1913) și Lebre (1928) au fǎcut ca principiul de funcţionare a agregatelor cu unde de
presiune sǎ fie cunoscut încǎ din secolul XX. Acest principiu constǎ în punerea în contact
direct a douǎ fluide cu presiuni diferite, omogenizarea celor douǎ având loc doar dupǎ
egalarea presiunilor lor. Acest proces are rolul de a transfera energia de la un fluid la
celǎlalt fǎrǎ ca acestea douǎ sǎ se amestece, rezultatul fiind un schimbǎtor de presiune
foarte eficient [9, 14, 51].
Cel care a pus pentru prima datǎ în aplicare acest principiu a fost Claude Seippel la
firma industrialǎ Brown Boveri Co. (astǎzi ABB), în 1942. Agregatul își gǎsește utilitatea
la o locomotivǎ cu gaze ca treaptǎ superioarǎ de comprimare în scopul creșterii
randamentului motorului. Acesta fiind posibil prin utilizarea unei pǎrţi din energia
gazelor de ardere dupǎ destinderea în turbinǎ pentru a mǎri suplimentar presiunea
aerului care intrǎ în camera de combustie [50].
La începutul anilor 2000, în cadrul unui proiect de cercetare desfǎșurat la
Institutul Tehnic Zűrich (ETH), în parteneriat cu firma Swissauto Wenko AG, este
dezvoltatǎ o nouǎ variant a compresotului cu unde de presiune denumit Hyprex. Acesta
este special conceput pentru supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin scânteie. În
prezent, firmele AMG și Swissauto continua cercetǎrile cu acest agregat în vederea
îmbunǎţǎţirii performanţelor energetice și economice a M.A.S.-rilor cu cilindree redusǎ.
Fig. 4.3, Hyprex [78, 104]
4.2 Principiul de funcţionare al compresorului cu unde de presiune
Elementul principal al unui Comprex este rotorul, aici realizându-se atât
comprimarea aerului cât și destinderea gazelor evacuate. Corpul rotorului este strǎbǎtut
de un numǎr mare de canale drepte deschise la ambele capete. În aceste canale, gazelle în
expansiune se aflǎ în contact direct cu aerul care urmeazǎ sǎ fie comprimat. Pentru ca
procesele de compresiune / destindere sǎ aibǎ continuitate, canalele rotorului trebuie
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
40
aliniate periodic cu ferestrele de admisie și evacuare din stator. Din acest motiv, rotorul
trebuie antrenat cu o turaţie optimǎ pentru a se evita pǎtrunderea gazelor arse în admisia
motorului. Antrenarea rotorului are rolul doar de distribuţie și nu contribuie la
comprimrea amestecului proaspǎt, ca în cazul compresorului mecanic.
Fig. 4.4, Principiul de funcţionare a unui agregat cu unde de presiune [23, 49]
1 – fereastră de admisie gaze arse, 2 – fereastră de evacuare aer comprimat,
3 – fereastră de evacuare gaze arse, 4 – fereastră de admisie aer proaspat
Statorul unui comprex este compus din douǎ pǎrţi: una “caldǎ”, în care se aflǎ
ferestrele de admisie și evacuare a gazelor arse și una “rece” care conţine ferestrele de
admisie și evacuare a aerului. Statorul nu se aflǎ în contact cu rotorul, iar distanţa dintre
acestea trebuie sǎ fie cât mai micǎ pentru a se reduce pierderile de presiune datorate
neetanșeitǎţilor.
4.3 Descrierea elementelor și caracteristicilor constructive ale unui
compressor cu unde de presiune
Principalele componente ale unui compresor cu unde de presiune utilizat la
supraalimentarea motoarelor de automobile, se pot observa in figura 4.5:
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
41
Fig. 4.5, Principalele componente ale unui agregat cu unde de presiune [30]
In care: 1 – fulie de antrenare; 2 – supapă de pornire; 3 – fereastră de evacuare aer
comprimat; 4 – canale rotor;m5 – rotor; 6 – fereastră de admisie gaze arse; 7 – supapă de
tip wastegate; 8 – fereastră de evacuare gaze arse; 9 – fereastră de admisie aer proaspăt;
10 – lagare arbore de antrenare; 11 – arbore de antrenare.
4.4 Sisteme auxiliare
Performanţele compresorului cu unde de presiune depend foarte mult de
sincronizarea turaţiei de antrenare cu deplasarea undelor de presiune din interiorul
canalelor rotorului. Din aceastǎ cauzǎ este necesarǎ folosirea unor sisteme auxiliare care
sǎ ajute la asigurarea unei functionǎri optime a acestui agregat de supraalimentare.
La pornire și în timpul mersului în gol al motorului, presiunea gazelor de evacuare
este foarte apropiatǎ de cea atmosfericǎ. Aceste condiţii de lucru sunt foarte
asemǎnǎtoare cu cele de la cazul III, prezentat anterior. Pentru a evita oprirea motorului
prin introducerea unei cantitǎţi mari de gaze arse în admisie se utilizeazǎ un dispozitiv
care constǎ într-o clapetǎ opturatoare și o supapǎ de by-pass a aerului (fig. 4.8).
dispozitivul este poziţionat de colectorul de transmisie între Comprex și motor, iar atunci
când presiunea gazelor arse este prea mica, clapeta obturatoare se închide, blocând astfel
pǎtrunderea lor în motor. Concomitant cu închiderea clapetei, se deschide supapa de by-
pass, motorul funcţionând acum în regim de aspiraţie naturalǎ.
Fig. 4.8, Supapă de pornire [19]
-
Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile
42
Având în vedere cǎ un compresor cu unde de presiune poate realiza presiuni de
admisie ridicate (> 2,5 bar), este necesarǎ utilizarea unei supape de tip wastegate pentru
a nu suprasolicita mecanismul motor. Aceastǎ supapǎ de gǎsește în partea “caldǎ” a
satatorului, ea având rolul de controla debitul de gaze arse care intrǎ în rotor în mod
indirect, mǎrimea presiunii de supraalimentare.
Fig. 4.9, Supapa de tip wastegate [19]
Supapa de tip wastegate este actionata cu ajutorul unui actuator pneumatic,
prezentat in figura 4.10.
Fig. 4.10, Actuator pneumatic pentru actionare supapa wastegate
Presiunea de supraalimentare ridicatǎ și contactul direct cu gazelle arse duc la o
încǎlzire suplimentarǎ a aerului admis în motor. Din aceatsǎ cauzǎ se remarcǎ utilizarea
unui intercooler pentru a evita reducerea coeficientului de umplere al cilindrilor și
suprasolicitarea mecanismului motor.
Dupǎ cum s-a vǎzut, antrenarea Compresorului nu contribuie la comprimarea
aerului, ea fiind necesarǎ pentru a putea alinia la momentul oportun canalele rotoru