Calculul Si Contructia Instalatiei de Supra Aliment Are a Motoarelor Pentru Autovehicule Rutiere

7/31/2019 Calculul Si Contructia Instalatiei de Supra Aliment Are a Motoarelor Pentru Autovehicule Rutiere

1/23

18. CALCULUL I CONTRUCIA INSTALAIEI DE SUPRAALIMENTARE A MOTOARELORPENTRU AUTOVEHICULE RUTIERE

18.1 Principii de realizare a supraalimentrii

Prin supraalimentare se nelege mrirea presiunii ncrcturii proaspete la o valoare ce depetepresiunea mediului ambiantp0, pentru a mri densitatea ncrcturii proaspete reinute n cilindri.

Supraalimentarea se aplic motoarelor n scopul mririi puterii litrice i pentru compensareapierderii de putere n cazul funcionrii motorului la altitudine, sau n cazul cnd se urmrete recirculareaunei pri din gazele de ardere pentru scderea coninutului de NO x n gazele de evacuare.

Prin mrirea presiunii ncrcturii proaspete la intrarea n cilindri se realizeaz creterea cantitiide amestec carburant proaspt reinut n cilindri motorului i care determin n final sporirea puteriimotorului. Pornind de la expresia coeficientului de umplere se poate observa influena presiunii ncrcturiiproaspete asupra cantitii ncrcturii proaspete reinute n cilindrul motorului.

v CC

=0

(18.1)

rezult:C Cv= 0 (18.2)

unde: v- coeficient de umplere;C- cantitatea real de ncrctur proaspt reinut n cilindrii motorului;C0-cantitatea teoretic de ncrctur proaspt reinut n cilindrii motorului n condiii n

care pierderile gazo-termodinamice sunt nule.Exprimnd relaia (18.2) n funcie de parametrii de funcionare ai motorului

C V in

v s=

0

2

60(18.3)

sau

Cp

R TV

nv

ss=

0

2

2

30(18.4)

unde: ps- presiunea ncrcturii proaspete;T0 - temperatura ncrcturii proaspete la umplerea n condiii optime;Vs- cilindreea unitar;i- numrul de cilindri ai motorului;n - turaia motorului;- numrul de timpi ai motorului.

C k ps= (18.5)

Dac se nglobeaz termenii constani ntr-o constant kse poate scrie:Relaia (18.5) arat dependena cantitii de amestec proaspt reinute n cilindrii motorului, de

presiunea cu care se introduce ncrctura proaspt n cilindri motorului.Dup presiunea de supraalimentareps se disting urmtoarele tipuri de supraalimentare:a) supraalimentare de joas presiune:ps=(0,120,15) MPa, supraalimentarea ce se poate aplica

la orice motor cu umplere normal fr a-i diminua durabilitatea i se realizeaz de regul cu ajutorul unuicompresor antrenat mecanic de la arborele cotit al motorului;

b) supraalimentarea de presiune medie:ps=(0,150,20) MPa.Supraalimentarea de presiune medie determin apariia unor tensiuni mrite n organele

motorului, de aceea trebuie luate msuri constructive i tehnologice pentru asigurarea rezisteneinecesare. n general acest tip de supraalimentare se realizeaz cu ajutorul unor agregate numiteturbocompresoare (o suflant antrenat de o turbin acionat de gazele de evacuare);

c) supraalimentarea de presiune nalt:ps=(0,200,35) MPa, se caracterizeaz prin comprimarea

ncrcturii proaspete n trepte i rcirea ei intermediar;d) supraalimentarea de foarte nalt presiune:ps=(0,350,60) MPa, se utilizeaz la generatoarelede gaze cu pistoane libere.

Dup modul cum se realizeaz supraalimentarea aceasta poate fi:

87


2/23

a) supraalimentarea natural (sau acustic) se realizeaz fr compresor i are la baz utilizareafenomenelor dinamice din colectorul de admisie al motorului;

b) supraalimentarea forat este procedeul cel mai utilizat i impune prezena compresorului.Supraalimentarea motoarelor se poate realiza cu sau fr utilizarea energiei gazelor de evacuare.Antrenarea compresorului de ctre arborele cotit al motorului cu ardere intern se realizeaz n

general la motoarele mici. Acest sistem se numete supraalimentare cu compresor antrenat mecanic.Complexitatea mecanismului de antrenare precum i consumul de lucru mecanic constituie limite n caleautilizrii acestei soluii.

n figura 18.1. se prezint schematic un motor supraalimentat cu un compresor antrenat mecanic.Supraalimentarea realizat prin utilizarea energiei gazelor de evacuare se efectueaz n dou

moduri: folosind direct energia undelor de presiune din gazele de evacuare sau transformnd energiacinetic a gazelor de evacuare n lucru mecanic de compresiune.

Utilizarea energiei undelor se face prin punerea n contact a aerului de admisie cu gazele deevacuare cu ajutorul unui dispozitiv numit schimbtor de presiune (Comprex), figura 18.2.

Transformarea energiei cinetice a gazelor de ardere n lucru mecanic de compresiune serealizeaz prin intermediul agregatului turbocompresor. Supraalimentarea cu ajutorul turbocompresoruluinu implic consumarea unei energii suplimentare datorit faptului c energia gazelor de evacuare estesuficient pentru antrenarea turbinei i a compresorului.

De aceea acest mod de supraalimentare a devenit unul din cele mai utilizate procedee desupraalimentare. Majoritatea motoarelor n patru timpi supraalimentate utilizeaz pentru supraalimentareturbocompresorul deoarece amelioreaz randamentul motorului.

Turbocompresorul se adapteaz automat la debitul i temperatura gazelor de evacuare.Supraalimentarea motoarelor cu ajutorul turbocompresorului se poate clasifica dup diferite criterii

ca utilizarea energiei gazelor de evacure, sau dup construcia agregatelor, etc.a) clasificarea dup modul de utilizare a energiei gazelor de evacuare distinge dou variante

respectiv cu utilizarea energiei cinetice a gazelor de ardere, turbina agregatului putnd folosi o parte dinenergia cinetic a gazelor de ardere, n care caz turbina lucreaz cu presiune variabil n faa ajutajelorfixe i se numete turbin de presiune variabil, (de impuls), sau cazul n care gazele evacuate din motorse frneaz i turbina lucreaz cu presiune constant.

Fig.18.1. Schema supraalimentrii cu antrenare mecanic

88


3/23

Sistemul care utilizeaz energia cinetic a gazelor de evacuare necesit amplasarea turbinei ctmai aproape de cilindri. La motoarelel policilindrice se utilizeaz mai multe colectoare (fig.18.3), fiecare dinele colectnd gazele de evacuare de la doi sau cel mult trei cilindri i anume de la acei cilindri ale crorevacuri se succed cu cel mai mare decalaj.

n cazul n care se utilizeaz turbine de presiune constant (fig.18.4), n amontele acesteia seprevede un colector K, n care se creeaz o contrapresiune la evacuarea din motor, prin frnarea gazelor.

b) Clasificarea dup scopul urmrit deosebete supraalimentarea pentru restabilirea puteriimotorului i supraalimentarea pentru mrirea acesteia.

Primul caz corespunde n general motoarelor care lucreaz la altitudine, compresorul avnd rolulde a restabili densitatea normal a ncrcturii proaspete, iar cel de-al doilea caz, cnd supraalimentareaeste utilizat pentru mrirea puterii motorului i scderea consumului specific de combustibil, ntruct scadpierderile mecanice i termice socotite procentual fa de cldura dezvoltat n cilindrii motorului.

c) Clasificarea din punct de vedere constructiv a supraalimentrii cu turbocompresor se face dupnumrul de trepte folosite, dup rcirea aerului admis i dup tipul constructiv al turbocompresorului.

Astfel, comprimarea aerului i destinderea gazelor evacuate se pot face ntr-una sau mai multe

Fig.18.2. Schema de supraalimentare cu dispozitivul COMPREX

Fig.18.3. Supraalimentarea de presiune variabil Fig.18.4. Supraalimentarea de presiune constant

89


4/23

trepte; aerul admis n cilindru poate fi rcit dup ieirea lui din compresor sau nu, supraalimentarea fiindcu rcirea intermediar a aerului sau fr rcire.

La agregatele de supraalimentare se utilizeaz de obicei compresoare centrifugale i mai raraxiale i turbine axiale, radial-axiale, sau radiale.

d) Dup modul de antrenare a compresorului se poate ntlni supraalimentare cu agregat

tubocompresor (fig.18.5) sau supraalimentare mixt (agregat turbocompresor i compresor antrenatmecanic), soluie utilizat n special la motoarele n doi timpi ( fig.18.6)

18.2 Diagrama indicat i fazele optime de distribuie la motorul supraalimentat

Prin supraalimentarea unui motor se modific condiiile de funcionare ale acestuia fa de unmotor cu aspiraie normal. Mrind cantitatea de ncrctur proaspt admis i temperatura acesteiafiind mai mare dect cea a mediului ambiant, se modific valorile presiunii i temperaturii n fiecareevoluie.

n figura 18.7.a. se prezint diagrama indicat teoretic a unui MAC supraalimentat.n cazul unui motor supraalimentat presiunea de admisie este mai ridicat dect presiunea

atmosferic ceea ce mbuntete umplerea motorului i lucrul mecanic (de pompaj) delimitat de curbelede admisiune i evacuare devine pozitiv contribuind la mrirea randamentului.Presiunea de admisie pA este mai mic dect presiunea de supraalimentare ps din cauza

pierderilor gazodinamice. n cazul supraalimentrii cu ajutorul unei suflante antrenate mecanic presiunean cilindru Pp este cu mult mai sczut dect presiunea de supraalimentare ps, atunci lucrul mecanic depompaj Lp fiind pozitiv mrete lucrul mecanic indicat al diagramei.

La motoarele n patru timpi supraalimentate diagrama indicat este influenat de fazele dedistribuie. Optimizarea acestora fiind diferit de cea a motoarelor cu umplere normal. Procesul deschimbare a ncrcturii la motoarele n patru timpi este constituit din fazele de evacuare, baleiaj iadmisie. Fenomenul dureaz mai mult dect o rotaie complet a arborelui cotit.

a. EvacuareaEvacuarea gazelor arse din cilindru se face n dou etape i anume: evacuarea liber (scpare) i

evacuare forat.

Fig.18.5. Schema supraalimenatrii cu ajutorul turbocompresoruluiFig.18.6. Scheme de amplasare a dispozitivelor de supraalimentare

Fig.18.7. Influena supraalimentrii asupra ciclului motor al unui MAC

90


5/23

Deschiderea supapei de evacuare trebuie s se realizeze cu un unghi de avans astfel nct lundn considerare bilanul ntre energia ctigat prin micorarea lucrului mecanic rezistent n timpul cursei deevacuare forat i cea pierdut prin nefolosirea complet a destinderii gazelor din cilindru, s se obin unlucru mecanic maxim ctigat n timpul evacurii.

n figura 18.8.b. este prezentat variaia presiunii gazelor n timpul scprii pentru diferite grade desupraalimentare. Se observ c pe msura ce presiunea de supraalimentare crete, crete i presiunea dela nceputul evacurii. Presiunea scade rapid cu apropierea pistonului de PMI.

Rezult c evacuarea se efectueaz n cea mai mare parte prin scpare. Curba (a) reprezintlimita cderii de presiune din cilindru n faa colectorului turbinei pn la care se asigur curgerea n regimsupracritic. n general cu mrirea gradului de supraalimentare nu este necesar modificarea momentuluideschiderii supapei de evacuare n apropiere de PMI se ating presiuni apropiate de cele din colectorulturbinei.

Prin micorarea contrapresiunii din colectorul de evacuare nu se obine o evacuare sensibilmbuntit deoarece n timpul scprii n poriunea curgerii supracritice se elimin aproximativ 70% dincantitatea total de gaze arse aflate n cilindru. Ca urmare a faptului c n timpul evoluiei de evacuareforat presiunea variaz mai puin scderea contrapresiunii duce la micorarea destul de mic a lucruluimecanic rezistent.

b. AdmisiaAdmisia ncepe odat cu momentul reinerii aerului n cilindru i se termin dup PMI, supapa de

admisie nchizndu-se cu ntrziere. ntrzierea la nchiderea supapei de admisie este necasat pentru oumplere ct mai bun a cilindrului. Admisia ncrcturii proaspete n cilindru se realizeaz n cea mai mareparte sub valoarea presiunii de supraalimentare ps. Evoluia presiunii din cilindru n timpul admisiei esteprezentat n fig.18.9. Se constat n prima poriune a cursei de admisie o cretere de presiune datorateptrunderii aerului comprimat i apoi o scdere datorat mririi pierderilor gazodinamice rezultate n urmamririi vitezei de curgere a ncrcturii proaspete n cilindru.

Urmeaz apoi o poriune n care presiunea n cilindru este aproximativ constant, dup carecrete datorit frnrii gazelor din cauza ncetinirii micrii pistonului

n PMI presiunea n cilindru este mai mic dect presiunea de supraalimentare de aceeancrctura proaspt poate ptrunde n cilindru i dup PMI ceea ce justific nchiderea cu ntrziere asupapei de admisie (punctul ia1).

n cazul n care presiunea din colectorul de evacuare este constant, mrirea presiunii desupraalimentare are ca efect sporirea vitezelor de curgere ale gazului n cilindru.

Din aceast cauz, nchiderea supapei de admisie trebuie s se realizeze cu o ntrziere mai marepentru a compensa cderea de presiune mrit i pentru utilizarea complet a energiei coloanei de gaz nmicare.

Dac presiunea din colectorul de evacuare variaz n acelai raport cu presiunea desupraalimentare, momentul de nchidere a supapei de admisie nu se modific, deoarece viteza gazelor ipierderile gazodinamice nu se modific.

Datorit faptului c n motorul supraalimentat este ars o cantitate sporit de combustibil varezulta o ncrcare termic mai mare a pieselor n jurul camerei de ardere fa de motorul cu aspiraienatural, astfel se impun msuri suplimentare pentru rcirea pereilor cilindrului, capului pistonului,chiulasei i supapei de evacuare.

Fig.18.8. Influena avansului deschiderii supapei de evacuare

Fig.18.9. Evoluia presiunii din cilindru n timpul evacurii forateFig.18.10. Cronoseciunile supapei de admisie i evacuare: a) motor supraalimentat; b) motor cu aspiraienatural

91


6/23

La m.a.c. supraalimentat pentru a asigura eliminarea gazelor reziduale i rcirea pieselor mai susmenionate se utilizeaz metoda mririi duratei n care supapele sunt simultan deschise.

n figura 18.10. sunt prezentate cronoseciunile supapelor de admisie i evacuare la un motorsupraalimentat i la un motor cu aspiraie natural. Durata de deschidere simultan a supapelor estecuprins ntre 40600 RAC la admisie natural, ntre 900 i 1100 RAC pentru supraalimentare mecanic i1200 pn la 1500RAC pentru motor supraalimentat cu turbocompresor.

c. BaleiajulBaleiajul este faza din procesul de schimbare a ncrcturii cuprinse ntre momentul deschiderii

supapei de admisie i cel al nchiderii supapei de evacuare, deci, este perioada n care ambele supapesunt deschide. n timpul baleiajului o parte din ncrctura proaspt nu particip la procesul de arderens se destinde n turbin. Este necesar ca supapa de admisie s nu se deschid prea devreme, pentruca gazele arse din cilindru s nu scape n colectorul de admisie i s nruteasc umplerea.

La MAC odat cu mrirea presiunii de supraalimentare baleiajul trebuie intensificat pentru aasigura o bun rcire a cilindrilor. La valori mari ale gradului de supraalimentare cantitatea de aer debaleiaj este limitat, deoarece gazele la intrarea n turbin nu trebuie s depeasc o anumittemperatur ceea ce implic limitarea debitului de aer care poate fi comprimat de compresor.

18.3 Msuri constructive ce se impun la motorul supraalimentat

Datorit creterii presiunii de supraalimentare precum i mrirea cantitii de combustibil arse peciclu, presiunile i temperturile maxime de ardere se mresc i ca urmare cresc i solicitrile mecanice itermice ale motorului.

Presiunea de supraalimentareps este limitat de presiunile i temperaturile maxime de ardere dincilindru, respectiv tensiunile mecanice i termice.

Micorarea presiunii maxime se realizeaz prin micorarea raportului de compresie. Pentrudiminuarea ncrcrii termice n general se recurge la mrirea coeficientului de exces de aer i prinintensificarea baleiajului prin mrirea perioadei de suprapunere a deschiderii supapelor.

Utilizarea rcirii intermediare a aerului la ieirea din compresor este metoda cea mai eficacedeoarece odat cu rcirea aerului se mrete densitatea ncrcturii i implicit puterea motorului va crete.Se constat c scderea cu 100C a aerului la ieirea din compresor conduce la o cretere de putere deaproximativ 23%.

La grade de supraalimentare de pn laps = 1,62,0 modificrile sunt minime.

n general la motoarele supraalimentate se aduc urmtoarele modificri constructive, se mretegrosimea capului pistonului i a suprafeei de sprijin pe bosaje; se amplific diametrul i grosimea bolului;suprafeele de reazem ale arborelui cotit pe cuzinei se mresc; blocul motor se ramforseaz; instalaia dercire se modific pentru a obine o rcire mai intens a prii superioare a cilindrilor i a chiulasei ndreptul supapei de evacuare; debitul de ulei n instalaia de ungere se mrete i eventual n circuitul deulei se introduce un radiator.

La motoarele puternic solicitate termic se impune rcirea forat a pistoanelor.n cazul MAS supraalimentate trebuie s se acorde o deosebit atenie studierii solicitrilor

termice, deoarece la creterea acestora motorul are tendina de ardere cu detonaie.

18.4 Agregate de supraalimentare

Pentru supraalimentarea motoarelorse pot utiliza urmtoarele tipuri decompresoare:

- compresoare volumice (Roots);- compresoare centrifugale.Compresoarele volumice (Roots)

(Fig.18.11) se utilizeaz n general lamotoarele de turaie mic i sunt antrenatemecanic de la arborele cotit. Acestecompresoare au un randament sczut ifuncioneaz cu zgomot de aceea ele au oaplicabilitate restrns la supraalimentareamotoarelor de automobile.

Compresoarele centrifugale sunt celemai utilizate datorit randamentelor efectiveridicate i dimensiunilor reduse.

Fig.18.11. Schema de funcionare a compresorului Roots

92


7/23

Compresoarele centrifugale se utilizeaz pentru supraalimentarea de presiune medie, nalt ifoarte nalt (n trepte).

La compresorul centrifugal aerul intr prin canalul de admisie 1 n rotorul compresorului carerotindu-se trimite aerul spre reeaua de petale 5 a difuzorului i de acolo prin canalul de refulare 6 ncolectorul de admisie al motorului.

Aerul este supus unui proces de comprimare de la intrarea n rotor i pn la ieirea din canalulde refulare.

Compresoarele centrifugale se clasific n special constructiv, dup modul cum sunt construitepaletele rotorului;

- Compresoarele centrifugale cu palete radiale;- Compresoarele centrifugale cu palete ndreptate napoia sensului de rotaie al rotorului;- Compresoarele centrifugale cu palete ndreptate naintea sensului de rotaie al rotorului.

Difuzorul poate fi: paletat sau nepaletat.Numrul de trepte n care se realizeaz comprimarea aerului compresoarele se clasific n:- Compresoarele centrifugale monoetajate;- Compresoarele centrifugale polietajate.

Lucrul mecanic specific al comprimrii adiabatice necesar realizrii gradului de comprimare pseste dat de urmtoarea expresie:

l R Tx

x

p

pC T

p

pas

x

xs

p

x

xs=

=

0

1

0

0

1

01

1 1 [J / kg] (18.6)

iar pentru aer ecuaia (18.6) se poate scrie l Tp

pas

x

xs=

10 13 0

1

0

unde: 1cp=1,0 [kJ/kgK] cldura specific la presiune constant;x- exponentul adiabatic;x=1,4 pentru aer;ps-presiunea de supraalimentare;p0-presiunea atmosferic;T0-temperatura mediului ambiant.

Gradul de comprimare a aerului n compresor se definete prin raportul de presiuni

s sp

p=

0

(18.7)

Lucrul mecanic las reprezint lucrul mecanic de comprimare ntr-un proces teoretic, fr pierderi ireprezint o fracineas (randament adiabatic al compresorului) din lucrul mecanic real, respectiv

l las as

= (18.8)

iar ( )l l las as = 1 reprezint pierderile interne ale compresorului, respectiv pierderiprin frecare, prin oc la intrarea aerului n rotor, pierderi prin perei, prin umplerea neuniform a canalelor,

Fig.18.12. Schema de funcionare a compresorului centrifugal

93


8/23

pierderi prin recircularea unei pri a aerului intrat n compresor.Randamentul adiabatic are valori cuprinse n limiteleas = 0,550,65.Pierderile mecanice ale compresorului centrifugal sunt luate n considerare prin randamentul

mecanicms care are valori de (0,940,97).Lucrul mecanic specific al compresorului cu considerarea pierderilor, se poate calcula cu relaia:

ll l l

sms

as

s ms

as

s

= =

=

[J / kg] (18.9)

unde:s =as.ms randamentul efectiv al compresorului centrifugal (s = 0,520,63).Cunoscnd debitul masic al compresorului sm 2 [kg/s] se poate calcula puterea de antrenare a

compresorului.

Pm l

ss as

as ms

=

[W] (18.10)

Debitul masic al compresorului sm 3 se poate exprima n funcie de consumul orar de combustibilC, coeficientul de exces de aeri cantitatea de aer minim necesar Lmin.

minm C Ls = [kg / s] sau [kg / h] (18.11)

Comprimarea aerului n compresorul centrifugal este rezultatul aciunii forelor centrifugale, iarpresiunea aerului refulat depinde de viteza periferic u [m/s] a rotorului.

Lucrul mecanic maxim ce este transmis unui kg de aer este:

l umax ,= 0 12 [J / kg] (18.12)

Se definete coeficient de presiune raportul

=l

l

as

max

(18.13)

= 0,550,65Temperatura aerului dup compresor este dat de relaia:

T Tp

pTs

x

xs

s

x

x=

=

0

1

0

0

1

[K] (18.14)

18.5 Turbina

Turbinele utilizate pentru antrenarea compresoarelor centrifugale pentru supraalimentareamotoarelor pot fi:axiale, radial-axiale (centripete) i radiale. La turbina axial, curentul de gaze sedeplaseaz prin rotor paralel cu axa de rotaie n timp ce la turbina radial se deplaseaz centripet(fig.18.13).

Principiul de funcionare al unei turbine este urmtorul: gazele arse intr n aparatul director sedestind n ajutaje i se accelereaz de la viteza C0 pn la viteza C1. Gazele trec apoi prin reeaua depalete a rotorului i ies cu viteza C2


9/23

Lucrul mecanic la arborele turbinei este mai mic dect latdatorit pierderilor interne ale turbinei,pierderi ce se apreciaz cu ajutorul randamentului interior al turbinei tcare se poate scrie: t at mt =

4, respectiv:t= (0,620,70)Lucrul mecanic la arborele turbinei va fi:

l l c T p

pt t at t pg t

x 1x

t= =

1

1

2

[J / kg] (18.17)

Cldura specific a gazelor arse cpgeste funcie de temperatura i compoziia gazelor de evacuare.Ea se calculeaz pentru o temperatur medie T= (Tt+ T2) / 2

Exponentul adiabatic al gazelor arse se calculeaz cu relaia:

= +xT

12540 072 76 7

,, ,

(18.18)

unde: Tt- temperatura la intrarea n turbin;T2 - temperatura la ieirea din turbin.

Puterea dezvoltat de turbin va fi P m lt t t=

unde mt

[kg / s]5 este debitul de gaze arse.Debitul masic de gaze arse se poate calcula cu urmtoarea relaie:

min

m mL

t s= +

1

1

(18.19)

Din egalitatea puterilor compresorului i turbinei Ps=Pt se poate determina gradul desupraalimentare.

m lm ls as

as ms

t at at mt

=

(18.20)

- factor ce ine seama de varianta presiunii n cazul supraalimentrii de presiune variabil:= 1 pentru supraalimentarea de presiune constant.nlocuind las i latrezult:

m T cp

pm T c

p

ps p

xx

s

s

t t pg

xx

tt

=

0

1

0

1

2

11

1

(18.21)

Dac se noteaz cu: at mt t = 6 i kc

c

T

T

x

x

pg

p

t

s t1

0 13 5= =

=; ; ,

Se poate scrie:

ss t

s

x

xt

P

P

m

mk

p

p= = +

0

3 5

1

1

2

1 1

,

(18.22)

Temperatura gazelor arse naintea turbinei se poate calcula cu urmtoarea relaie:

Fig.18.13.Scheme de realizare a turbinei cu gaze a)axial; b)centripet; c)radial.Fig.18.14. Schema de lucru a turbinei cu gaze

95


10/23

T

p

p

p

p

Tt

x

xs

x

x

t

ms mt

=

1

0

1

0

0

1

1

(18.23)

18.6 Grupul turbocompresor

Grupul turbocompresor nu are legturi mecanice cu motorul supraalimentat, turaia sa fiinddependent de cea a motorului.

ntre compresor, motor i turbin exist o singur condiie restrictiv la orice regim stabil defuncionare impus de egalitatea ntre debitul de aer livrat de compresor i cel ce intr n motor, iegalitatea dintre gazele evacuate de motor i intrate n turbin:

min

m m

m m L

M s

t s

=

= +

11

(18.24)

unde:- coeficientul de exces de aer; Lmin aerul minim necesar.Pe de alt parte ntre compresor i turbin exist o dubl legtur mecanic.Deci, la un anumit regim de lucru pentru ca turbocompresorul s funcioneze stabil este necesar

ca puterea turbinei s fie egal cu puterea necesar compresorului indiferent de parametrii de intrare aaerului n compresor i ai gazelor de ardere n turbin. n cazul n care puterea turbinei este mai mareatunci turaia compresorului va crete pn cnd se va restabili egalitatea puterilor.

18.6.1 Caracteristicile turbocompresorului

18.6.1.1Caracteristica normal a compresorului

Parametrii principali ce caracterizeaz funcionarea unui compresor la un anumit regim de lucru,sunt: gradul de comprimareps i randamentul compresorului as .

Se numete caracteristic normal sau de debit relaia care exprim variaia mrimilorps i as nfuncie de parametrii de stare ai mediului ambiant (p0,T0) de debitul de aer al compresorului sm 7 i turaiacompresorului (suflantei) ns:

( ) s as s sf p T m n, , , ,= 0 0 (18.26)Experimentul se constatps nu depinde dep0, deci:

( ) s as s sf T V n, , ,= 0 (18.27)Caracteristica normal se ridic experimental.

n figura 18.15. este prezentat caracteristica normal a unui compresor centrifugal. Se constatc pe msur ce debitul de aer refulat scade, turaia compresorului rmnnd constant, curbele ating unmaxim, dup care descresc ajungndu-se la un punct peste care funcionarea turbocompresorului devineinstabil.

Locul geometric al punctelor de funcionare instabil la diverse turaii se numete linie de pompaj.Pe linia ns=constant exist un singur punct ce caracterizeaz regimul de lucru al compresorului ce

se poate deplasa la stnga sau la dreapta funcie de rezistenele aerodinamice existente n aval decompresor.

Linia AB ce unete punctele regimurilor de lucru se numete linie de lucru sau caracteristica deexploatare a compresorului. Se urmrete ca aceast linie s treac prin punctele de randament maxim.

96


11/23

n figura 18.16 s-a trasat caracteristica normal a unui compresor respectiv as= f(V )s 8. Se

determin valorile as care se suprapun pe graficul ps = f(V )s 9. Dezavantajul principal al acestei

caracteristici este acela c ea este valabil numai pentru parametrii de stare ai mediului ambiant n care afost ridicat. De aceea, funcionarea unui compresor n diferite condiii de mediu ambiant este determinatde o multitudine de caracteristici. Acest inconvenient este eliminat prin exprimarea performanelorcompresorului cu ajutorul parametrilor dedui pe baza teoriei similitudinii. n acest caz, un punct dindiagram reprezint totalitatea regimurilor asemenea n care parametrii iniiali ai fluidului de lucru s-auschimbat.

18.6.1.2Caracteristica universal a compresorului

Caracteristica universal a compresorului se exprim prin parametrii de similitudine ai mainilorcu palete i este independent de parametrii de stare ai fluidului n amontele compresorului diagramaprezentnd totalitatea regimurilor posibile de funcionare.

Caracteristica universal exprim variaia gradului de comprimare s al compresorului i gradul de

destinderetal turbinei, a randamentului i puterii mainii funcie de parametrii care determin regimurileasemenea ale mainii.

( )

( )

as s s s s

tt t t t t

P f m n

sau

P f m n

, , ,

, , ,

=

=

(18.28)

unde: n 10 i m 11 reprezint turaia i debitul raportate.Caracteristica universal a unui compresor se deduce pe baza caracteristicii normale ridicat

experimental avnd n vedere relaiile:

Fig.18.15. Caracteristica normal a compresoruluiFig.18.16. Caracteristica normal a compresorului (variant)

97


12/23

ss

ss s

ss

s

p

pn

D n

R Tm

m R T

p D

PP

pD R T

= =

=

=

0 0

0

0

2

0

; ;

(18.29)

unde: D - este diametrul mediu al reelei de palete.

Cu ajutorul acestor relaii se pot stabili performanele tuturor compresoarelor geometriceasemenea cu cel experimentat.Dac se renun la forma adimensional a parametrilor i se elimin constantele D i R, atunci

caracteristica universal a compresorului se exprim printr-o funcie de rapoarte:

s ss sf

n

T

m T

p, ;

=

0

0

0

(18.30)

Aceast caracteristic se prezint n figura 18.17.

18.6.1.3Caracteristicile universale ale turbinei

Spre deosebire de compresor, parametrii de stare din amontele turbinei variaz ntr-o gam foarte

larg, de aceea caracteristica normal a turbinei nu prezint o utilitate practic. n acest caz se utilizeazcaracteristicile universale, ce se reprezint n diferite sisteme de coordonate.

O reprezentare mai des ntlnit este cea redat n figura 18.18, n care se prezint variaiagradului de destindere t i a randamentului turbinei t n funcie de criteriul de similitudine al debitului

m T

p

t 0

0

12 utilizndu-se ca parametru criteriul turaiei nn

Tt

t=0

13.

18.6.2 Fenomenul de pompaj

Este foarte important ca la punerea la punct a supraalimentrii unui motor, nici unul din punctelede funcionare s nu ias dintr-o zon limitat n partea stng de o parabol ce trece prin origine, numit

parabol de pompaj (fig.18.17).Dac nu se respect aceast condiie, presiunea dat de compresor sufer variaii ciclice deamplitudini cu att mai mari cu ct viteza de rotaie este mai ridicat.

Fenomenul de pompaj este specific compresoarelor nevolumice. Debitul critic de apariie apompajului reprezint 0,750,85 din debitul maxim la turaia considerat pentru compresoarele axiale ide 0,50,6 din respectivul debit pentru compresoarele centrifugale.

Fenomenul de pompaj este consecina formei curbate a caracteristicii debit-presiune din cauzacompresibilitii fluidului.

Dac se consider o turaie de funcionare stabil a compresorului i debitul de aer cerut de motor

Fig.18.17. Caracteristica universal a compresoruluiFig.18.18. Caracteristica universal a turbinei cu gaze

98


13/23

este inferior valorii corespunznd presiunii maxime, presiunea aerului ce se afl ntre compresor i motordevine superioar presiunii furnizate n acel moment de ctre compresor. n aceste condiii o anumitcantitate de aer va traversa invers compresorul provocnd o micorare a debitului i presiunii n colector ipermite compresorului s restabileasc un debit pozitiv. Fenomenul se reflect provocnd un pompaj deamplitudine mai mic sau mai mare funcie de caracteristicile constructive ale ansamblului.

Fenomenul poate continua i poate provoca ocuri extrem de violente. Creterea brusc a cupluluimotor la regimurile joase de turaie poate da natere fenomenului de pompaj.

Debitul critic depinde de asemenea de presiunea aerului la aspiraia n compresor i de felul cumaerul se comport dup compresor. n cazul n care colectorul de admisiune nu are o form optimprecum i apariia oscilaiilor de presiune provocate de nchiderea i deschiderea supapelor de admisie,pot provoca deformarea parabolei de pompaj, limita de utilizare a turbocompresorului se restrnge ctrezona debitelor mari.

Accidental apariia pompajului poate fi provocat de:- reglaj incorect al distribuiei (supapa de admisie se deschide mai devreme);- temperatura gazelor de evacuare a fost depit (dereglarea pompei de injecie sau a

injectoarelor);- obturarea parial a colectorului de admisie;- micorarea perioadei de baleiaj (dereglarea distribuiei);- funcionarea motorului la altitudine mare.

18.7 Acordarea turbocompresorului cu motorul cu aprindere prin compresie pentruautovehicule

Viteza turbocompresorului, debitul de aer i presiunile acestuia se adapteaz simplu, la variaiileturaiei motorului ale debitului de combustibil injectat i ale altitudinii.

Odat cu scderea turaiei, scade rapid presiunea de supraalimentare ceea ce duce la o limitare aputerii datorit creterii excesive a gradului de fum. n schimb, la turaii mari ale motorului ajunge la valorilimit turaia turbocompresorului puterea maxim i temperatura gazelor de evacuare aa cum rezult dinfig.18.19.

99


14/23

Alegerea corect a turbocompresorului condiioneaz direct performanele motorului ct icalitile de elasticitate i adapta-bilitate.

Condiiile de funcionare n comun ale motorului cu ardere intern cu agregat de supraalimentaresunt urmtoarele:

- egalitatea debitului de aer comprimat de compresor cu cel utilizat de motor m ms M= ;- egalitatea debitului de gaze care trece prin motorul cu ardere intern cu cel care traverseaz

turbina (n cazul n care nu deviaz o parte din gazele de ardere) min

m mL

t s= +

1

1

- relaia dintre cantitatea de gaze care trece prin turbin icontrapresiunea la evacuarea motorului cu ardere intern;

- egalitatea puterilor compresorului i turbinei grupului turbocompresorPs= Pt;- egalitatea turaiei compresorului i turbinei n s=nt;Pentru acordarea grupului turbocompresor cu motorul se folosesc att metode grafoanalitice ct i

numerice pentru calculul pe calculator.

18.7.1 Determinarea punctelor de funcionare comun a motorului cu grupul turbocompresor cuajutorul metodelor grafoanalitice

Pentru determinarea punctelor de funcionare comun se utilizeaz pentru turbocompresorcaracteristicile universale ale turbinei i compresorului iar pentru motor mrimile determinate pe bazacalculului termodinamic (temperatura de ardere n faa turbinei, coeficientul de umplere, schimbul decldur, durata arderii, valoarea randamentului mecanic, etc).

n figura 18.20 se prezint o diagram nchis realizat de Gustav Winkler pentru calcululpunctelor de funcionare comun a grupului turbocompresor cu un motor n patru timpi.

Diagrama este reprezentat ntr-o form adimensional. Fiecare din cele patru semiaxe alediagramei sunt comune pentru cte dou cadrane iar punctul de funcionare este determinat de cele patru

Fig.18.19. Limite impuse acordrii motorului cu turbocompresorul

Fig.18.20. Diagrama de determinare a funcionrii comune motor-turbocompresor

100


15/23

coordonate.a)

Primacoordonat.Raportul pt/p0al presiunilornainte i dupturbin. La

supraalimentarea pulsatorieptreprezint presiunea medie n timp.b) Coordonata a doua. Raportul ps /p0 al presiunilor nainte i dup compresor. Pierderile de

presiune n conducte trebuie considerate separat sau luate n considerare prin micorarea randamentuluiturbosuflantei. Pierderile de presiune n rcitorul aerului de supraalimentare pot fi luate n consideraredirect prin coordonata respectiv.

c) Coordonata a treia. Raportulm

A a

t

p a 014 dintre debitul de gaze de evacuare i produsul

dintre suprafaa pistonului, densitatea aerului i viteza sunetului n zona de admisie a compresorului.d) Coordonata a patra. Raportul dintre debitul masic al gazelor de ardere i seciunea turbinei

referitoare la starea nainte de turbin m

A

t

t

15.

Mrimile necesare descrierii motorului i strii de funcionare sunt reprezentate n figura 18.21.n fiecare cadran sunt familii de curbe caracterizate de o serie de parametrii. Parametrul K0 este

proporional i aproape egal cu randamentul turbosuflantei ts. Parametrul K1 este proporional cupresiunea indicat pi, K2 red turaia motorului i este proporional cu viteza medie a pistonului wm.Parametrul K3=K1.K2 este proporional cu produsul pi.wm, K3 exprim n esen puterea specific indicatpe aria pistonuluipi.wm/4 sau puterea.

Parametrul K4 este proporional cu aria seciunii duzei turbinei raportat la aria pistonului.n primul cadran familiile de curbe sunt ordonate dup K1, deci dup presiunea medie indicat.

Fiecare grup conine linii pentru diferite valori ale lui K0 (randamentul turbocompresorului). Valoriintermediare se obin prin interpolare liniar.

18.7.1.1Bazele diagramei

Calculul temperaturii gazelor de ardere. Dup primul principiu al termodinamicii partea cdurii deardere care nu se transform n lucru mecanic i care nu este evacuat prin instalaia de rcire esteconinut n gazele de ardere, deci se poate scrie:

( ) ( )T T m c m Qt s t pg i R c i = 1 (18.31)unde: Tt- temperatura gazelor de evacuare;

Ts - temperatura aerului;mt- masa gazelor arse;cpg- cldura specific la presiune constant a gazelor;i- randamentul indicat;R - raportul dintre cldura evacuat prin instalaia de rcire i cldura dezvoltat n

cilindru;Qi- puterea caloric inferioar;mc- masa combustibilului ars n cilindru.

Fig.18.21. Schema motorului turbosupraalimentat pentru descrierea strii de funcionare

101


16/23

nlocuind n relaia (18.24) urmtoarele relaii pm Q

Vm f Vi

i c i

s

t s=

= ;

unde: as

a s

p

R T =

iar

R R TT

k pp

a gt

s s

= = + i 1 1 0 (18.32)

se obine:

kf

x

x

p

pi R i

1

0

1 1=

(18.33)

notaiile folosite fiind urmtoarele:Vs - cilindreea;a - densitatea aerului la sfritul admisiei;f- raportul ntre debitul gazelor arse i debitul de aer;x- exponentul adiabatic al gazelor arse;Ra, Rg- constanta general pentru aer i pentru gazele arse.Aceste legturi permit ca ntr-o diagram auxiliar care se ataeaz la primul cadran al diagramei

principale s se determine temperatura medie a gazelor de evacuare.

18.7.1.2Linii caracteristice n primul cadran

Dac n bilanul de putere al turbosuflantei se elimin temperatura gazelor arse care nu estecunoscut se obine:

s pg

pa s t

p

pk

c

ck

p

p

p

p

x

x

x

x0

0 10 01 1 1

1

1= + +

(18.34)

unde: K fT

Tts

s0

0

=

cpa- cldura specific a aerului;x- exponentul adiabatic pentru aer;

Relaia (18.34) red legtura dintre gradul de comprimare n compresor i gradul de destindere nturbin sub form implicit.

Ecuaia se poate rezolva numeric. Curbele soluiei sunt reprezentate n cadranul I din figura 18.20pentru diferite valori ale lui K0 i K1. Pe linia punctat la 450 presiunile nainte i dup motor sunt egale.

Liniile caracteristice din cadranul IILiniile din cadranul II reprezint liniile de admisie ale motorului (gazul admis fr combustibil)

exprimate prin factorul f. Acestor linii li se suprapune domeniul compresorului care este dat n diagramprin limita de pompaj.

Pentru calculul debitului gazelor de ardere se poate utiliza urmtoarea relaie:

m f Vn

t a s=

2

(18.35)

unde s-au folosit ecuaiile de definiie: V A S w S ns p m= = ; 2 i se obine:m

A aK

p

pt

p a a

s

=

2

0

n care :

K fT

T

w

as

m

a

20

4=

(18.36)

Relaia (18.36) reprezint n cadranul II o familie de drepte cu originea sub punctul 0.Liniile caracteristice din cadranul IIIn cadranul III debitul prin motor este redus la starea nainte de turbin.

Din ecuaiile (18.35) i (18.36) se obine:m

A cK

p

pK

p

p

p

p

T

Tt

p g pg

s

s t

s

= +

2

0

10 0

0

1 (18.37)

102


17/23

Separnd n partea dreapt factorii care depind numai de debitul masic K2.ps/p0 corespuztor

ecuaiei, rezult:m

A c

p

p

T

TK

p

p K

p

pKt

p g pg

t

s

s

s = +

0

02

0 2

031

1(18.38)

unde: K3=K1.K2. Deoarece K1 este proporional cu presiunea medie indicat pi, iarK2 cu vitezamedie a pistonului wm rezult c parametrul K3 este o msur a puterii raportate la aria pistonuluimotorului.

Liniile corespunztoare din cadranul IVAcest cadran evideniaz legtura dintre debitul masic i raportul de destindere al turbinei.Posibilitatea de admisie a unei turbine axiale poate fi reprezentat printr-o suprafa echivalent

At.Debitul prin suprafaa echivalent a turbinei se poate determina cu relaia:

m A p R T t t t g t = 2 (18.39)

unde: =

x

x

p

p

p

p

x

t

x

x

t1

2

0

1

0 funcie de debit

- factor care ine seama de pulsaiile debitului de gazePrin transformare se obine:

m

A c

p

p

T

TK

p

p xt

p g pg

t

s

t

=

0

04

0

2(18.40)

unde:

K AA

TT

t

p s

40=

(18.41)

Pentru valorile uzuale ale lui K4 liniile de admisie ale trubinei sunt reprezentate n cadranul IV alfigurii 18.20 curbele obinndu-se prin multiplicarea funciei de debit cups/p0.

18.7.1.3Modul de calcul

Punctele de funcionare se determin iterativ. Dac punctele de funcionare ale motorului suntdate, atunci se caut punctele de funcionare ale turbocompresorului dat. Se calculeaz parametrii Ko-K4definindu-se n fiecare cadran cte o linie, dac se gsete un dreptunghi prin ale crui coluri trec celepatru linii de definiie, atunci acest dreptunghi descrie starea de funcionare staionar a compresorului.Acest dreptunghi se poate gsi prin ncercri, ns prin iteraie grafic soluia se gsete mult mai uor.

n figura 18.22.a. s-a reprezentat schematic diagrama cu cele patru linii de definiie.Iteraia se poate porni din oricare cadran ns este preferabil s se porneasc din cadranul I.Se adopt o presiune de supraalimentare ce pare rezonabil i se strbate diagrama n sensul

Fig.18.22. Exemplu de lucru pentru gsirea punctelor de funcionare comun

103


18/23

invers acelor de ceasornic, ducnd paralele la axe. Dac s-a ales o valoarea preea mic, atunci presiuneade supraalimentare va crete mai mult dup prima parcurgere a diagramei, urmnd s creasc din ce nce mai puin la celelalte iteraii. n cele din urm aceste linii se vor suprapune cu dreptunghiul carereprezint soluia optim. n caz c s-a adoptat o presiune prea mare, aceste linii se apropie de exterioruldreptunghiului ce reprezint soluia optim. Dac s-a adoptat din ntmplare presiunea corect desupraalimentare atunci dreptunghiul se nchide din prima ncercare.

18.7.1.4Determinarea direct a seciunii turbinei i a randamentului turbocompresorului

Dac sunt cunoscute punctele de funcionare att pentru motor ct i pentru turbocompresor,atunci seciunea turbinei ct i randamentul turbocompresorului se pot determina direct.

Se trec presiunile respective n diagram i se citesc interseciile din cadranele I i IV, valorilepentru K0 i K4.

Acest procedeu se utilizeaz pentru determinarea influenei modificrii unor factori externi asuprafuncionrii turbocompresorului.

18.7.1.5Exemplul de calcul

Pentru concretizare se va dezvolta un exemplu de calcul apelndu-se la diagrama din figura

18.20, motiv pentru care se apeleaz la unit]ile de msur din diagram.Se dau:- randamentul indicat:i= 0,45;- cldura cedat instalaiei de rcire R= 0,15;

- raportul debit masic fm

mt

s

= =

,10316;

- coeficientul de exces de aer= 1,2;- exponentul adiabatic al gazelor de arderex = 1,35;- temperatura mediului ambiant T0 = 300 K;- temperatura aerului de supraalimentare Ts = 315 K;

- viteza sunetului aa = 340 m/s = x R T 0 17;- factorul masic= 0,975;Se obin urmtoarele relaii pentru parametrii K0K4;

K fT

T

Kf

x

x

p

p

p

p

K fT

T

w

a

a

K K K

K AA

TT

AA

tss

a

ts

i R

i

i i

m

a

a

t

p

s t

p

0

1

0 0

20

0

3 1 2

4

0 5

0

108

1 1 1

535

4 1155

= =

=

=

=

=

=

= =

,

,

,

18.7.1.5.1 Punctul de sarcin maximLa o presiune medie indicatpi= 21,4 bar i o vitez medie a pistonului wm = 8,1 m/s se consider

o presiune de supraalimentare de 2,91 bar i o contrapresiune a gazelor de ardere de 2,7 bar. Care vor fivalorile ariei seciunii turbinei i randamentului turbo-compresorului, dac se admite presiunea atmosfericp0=1 bar. Efectund calculele se obin:

K K K

p

p

p

ps s t t

1 2 3

0 0

214

5354

81

11550 007 0 028

291270

1 2 70

= = = = =

= = = = =

,

,;

,, ; , ;

, ;,

,

Prin transpunerea n diagram n figura 18.20, se obin direct K0= 0,6 i K4= 0,02.

104


19/23

Randamentul turbocompresorului va fi tsK

= 0108,

18= 0,56 deci 56%, iar seciunea turbinei 2%

din aria seciunii pistonului motorului.

18.7.1.5.2 Determinarea punctului de funcionare comun la sarcin parialn acest caz trebuie s se determine presiunea de supraalimentare la reducerea sarcinii la

pi= 16,1 bar la o turaie constant (celelalte valori rmn constante).K1=16,1/5,35=3; K3=3.0,007= 0,021; K0, K2 i K4 ca la sarcin maxim.Soluia obinut prin iteraie grafic n fig.18.20 d valorileps = 2,3 bar ipt=2,121 bar.Aceast presiune de supraalimentare este suficient pentrupi= 10,1 bar.

18.7.1.5.3 Determinarea punctului de funcionare comun n cazul scderii turaieiMeninnd presiunea medie indicat la 21,4 bar, ns la o turaie mai sczut 71,5% (wm=5,8 m/s)

din cea considerat, trebuie s se determine presiunea de supraalimentare.n acest caz, parametrii de proporionalitate vor fi:K1= 4; K2= 0,715.0,007= 0,005; K3= 4.0,005= 0,020; K0 i K4 se adopt ca la sarcin maxim.Prin extrapolare din linia K0= 0,6 la K1= 4 n cadranul I se obine prin iteraieps = 1,92 bar ipt=

1,5 bar. Aceast presiune de supraalimentare este insuficient pentru pi= 21,4 bar deoarece astfel ardereaar fi incomplet i temperatura gazelor de evacuare prea mare.

n diagram aceasta rezult din faptul c linia respectiv rezult cu mult sub grupul de linii pentruK1= 4. n afar de aceasta punctul de funcionare din cadranul II se suprapune cu limita de pompaj acompresorului.

18.7.1.5.4 Funcionarea la altitudinen acest caz se determin presiunea de supraalimentare cndpi=16,1 bar i wm = 8 m/s (sarcin

parial) la o presiune a mediului ambiantp= 0,75 bar.Se aleg parametrii:K1= 4; K0, K2 , K3 i K4 ca la sarcin maxim.Gradul de supraalimentare este 2,91 ns presiunea de supraalimentare este p=2,17 bar. La

presiunea atmosferic p=1 bar presiunea de supraalimentare era ps=2,3 bar; deoarece presiuneaatmosferic este mai sczut p0=0,75 bar (scdere de 25%) presiunea de supraalimentare scade la 2,17bar (scdere 6%).

Aceasta confimr buna comportare a motoarelorcu supraalimentare la altitudine.Metoda descris mai sus se preteaz la simularea fenomenelor ce au loc la funcionarea

motoarelor supraalimentate.

18.7.2 Supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin compresie pentru autoturisme

Economia important de combustibil obinut de motorul cu aprindere prin compresie fa demotorul cu aprindere prin scnteie a dus la introducerea acestui motor n construcia autoturismelor maiales de ctre constructorii din Europa, Japonia i General Motors n SUA.

Unul din cele mai semnificative dezavantaje ale aplicrii motorului cu aprindere prin compresie laautoturisme este puterea redus n cilindreea utilizat. Supraalimentarea este o metod simpl de aacoperi diferena de putere ntre MAS i un MAC de aceeai cilindree unitar.

Motorul cu aprindere prin compresie are o temperatur a gazelor de evacuare cobort, i o gamde turaii mai redus. Din aceast cauz multe probleme dificile ce apar la MAS supraalimentate n acestcaz nu se mai pun. n general la MAC de puteri mici presiunea aerului de supraalimentare este limitat dencrcarea termic i mecanic.

Motoarele cu aprindere prin compresie sunt echipate cu o turbin mic pentru a avea un momentbun la turaii reduse i este dotat cu o supap de control pentru a evita suprapresiuni de aer la turaiiridicate.

Consumul de combustibil se poate reduce pe msura mbuntirii randamentului compresorului.n reducerea consumului de combustibil la MAC de autoturisme o important contribuie o aduceoptimizarea procesului de ardere, selectarea presiunilor de aer, optimizarea colectorului de admisiune ievacuare.

n cazul supraalimentrii motoarelor de autoturisme (cilindree 1,53,0 l) pentru a obine putereamaxim la turaia nn i momentul maxim la turaia nMapar urmtoarele probleme) (figura 18.23):

- Dac se regleaz punctul de funcionare comun a motorului i turbocompresorului pentruregimul puterii maxime la turaia de moment maxim nu se realizeaz efectul de supraalimentare;

- Dac se regleaz punctul de funcionare comun a motorului i turbocompresorului pentruregimul momentului maxim, la turaia puterii maxime valoarea presiunii de supraalimentare depete

105


20/23

valoarea prescris i solicitrile mecanice ale motorului cresc peste limitele admise.Astzi constructorii de motoare turbosupraalimentate pentru autoturisme folosesc sisteme de

supraalimentare la care se realizeaz punctul comun de funcionare cu motorul la regimul momentuluimaxim. Grupul turbo-compresor este prevzut cu o supap ce permite scpri controlate de gaze arse pelng turbin.

Acest sistem permite obinerea unor performane ridicate prin faptul c turbocompresorulrspunde cerin]elor att la turaii reduse ct i la turaiile nalte ale motorului. La turaii ridicate gradul desupraalimentare este meninut n limite acceptabile de ctre supap, rezultnd o bun siguran defuncionare.

Modul de amplasare a supapei pe turbocompresor este prezentat n figura 18.24. (8; 6.5)Supapa sesizeaz diferena ntre presiunea atmosferic i presiunea de supraalimentare dat de

compresor i realizeaz scparea gazelor de evacuare pe lng turbin. Astfel se poate controla presiuneadin colectorul de admisiune i se poate men]ine la nivelul cerut.

Supapa de descrcare este folosit pentru a controla creterea de presiune de la nivelul ales detura]ia cuplului maxim pn la un nivel cu pu]in mai mare la tura]ia puterii nominale.

n figura 18.25. prezint funcionarea supapei cu scpri controlate.Din diagrama prezentat rezult c turbocompresoarele dotate cu o astfel de supap permit

supraalimentarea motoarelor de puteri mici pentru autoturisme, deoarece se asigur un cuplu maximsuficient de mare pentru demaraje rapide, iar la turaii mari presiunea de supraalimentare nu depetevaloarea admis pentru obinerea unei presiuni maxime de ardere.

Un motor cu aprindere prin compresie supraalimentat poate produce aceeai putere ca un motorcu aprindere prin compresie cu aspiraie natural cu circa 40% cilindree unitar mai mare.

18.8 Rcirea aerului nainte de admisiunea n motorul supraalimentat

n cazul supraalimentrii motoarelor cu aprindere prin compresie este necesar n anumite cazurircirea aerului comprimat de compresor. Se apreciaz c mrirea cu 10C a temperaturii aerului admis ncamera de ardere determin o cretere de ordinul a 23 0C a temperaturii la sfritul compresiei, i implicita tuturor temperaturilor ciclului. n plus MAC nu poate beneficia de rcirea aerului provocat de evaporareacombustibilului, cum se ntmpl n cazul MAS.

Fig.18.23 Evoluia presiunii de supraalimentare la acordarea turbo-compresorului cu motorulFig.18.24 Amplasarea supapei "by pass" n circuitul de supraalimentare

106


21/23

La MAC dublarea densit]ii aerului admis permite dublarea presiunii medii indicate. ns cu toateacestea creterea presiunii maxime de ardere, deci a solicitrilor mecanice maxime nu depete ocretere de 4050%.

Densitatea aerului de supraalimentare introdus n motor depinde de urmtorii parametriinterdependeni:

- gradul de supraalimentare;- randamentul compresorului;- temperatura aerului la intrarea n compresor.Creterea temperaturii aerului prin comprimarea n compresor (DTs), se poate determina cu

ajutorul relaiei 18.42.

TT

sad

s

xx=

1

1

1

[K] (18.42)

unde: T0 = T1, T0 - temperatura mediului ambiant, T1 - temperatura aerului la intrarea ncompresor; (se consider c schimbul de cldur cu exteriorul pn la compresor este neglijabil); s -gradul de supraalimentare,x- exponentul adiabatic de compresie.

Se constat c mrirea temperaturii aerului admis crete cu ct gradul de supraalimentare estemai ridicat. De aici rezult necesitatea rcirii aerului admis la rapoarte de comprimare p s n compresorridicate.

Prin rcirea aerului de supraalimentare pentru acelai regim termic al pieselor motorului iaceleai reglaje, se poate arde mai mult combustibil i n consecin se dezvolt mai mult energie. Seapreciaz c la fiecare 10K de scdere a temperaturii aerului de supraalimentare se realizeaz o cretere aputerii cu aproximativ 3%.

La aplicarea rcirii aerului de supraalimentare trebuie s se in seama i de dezavantajele pecare le prezint i anume: mrete masa i volumul motorului; schimbtorul de cldur introducerezistene gazodinamice suplimentare care n anumite cazuri pot s anuleze ctigul de putere obinut prinrcirea aerului care ptrunde n motor.

Rcirea aerului se poate realiza n dou moduri:- prin schimbtoarele de cldur, mediul rcitor fiind aerul sau lichidul de rcire;- prin destinderea aerului admis.

18.8.1 Rcirea aerului n schimbtorul de cldur

n acest caz se poate realiza:- rcirea final la intrarea n motor (fig.18.26.a) n cazul n care suplimentarea se realizeaz

monoetajat (metoda cea mai des ntlnit la motoarele supraalimentate pentru autovehicule);- rcire intermediar, ntre compresoare (fig.18.26.b), cnd motorul este prevzut cu doucompresoare sau compresorul are mai multe etaje i permite constructiv o rcire intermediat.

Fig.18.25 Evoluia presiunii de supraalimentare la amplasarea supapei "by pass"

107


22/23

Creterea gradului de supraalimentare, n cazul n care se urmrete meninerea aceleeaitemperaturi la intrarea n motor conduce la creterea suprafeei de schimb de cldur a rcitorului caredevine foarte important.

Mrimea schimbtorului de cldur se coreleaz cu energia suplimentar pentru deplasareamediului de rcire. Aceast energie se scade din energia dezvoltat de motor.

Deci introducerea rcirii aerului la MAC permite creterea debitului de aer introdus n motor nspecial la grade mari de supraalimentare avnd ca efect mrirea puterii fr a le suprasolicita termic.

Pentru calculul presiunii i temperaturii la sfritul admisiei n cazul supraalimentrii monoetajetese consider urmtoarele:

R- coeficientul pierderilor de presiune n schimbul de cldur adic:

RR

s

p

p= 1

unde: pR- pierderile de presiune n schimbtorul de cldur;ER- coeficientul de eficien al schimbtorului de cldur, respectiv:

ET

TR

R

c

=

unde: TR= Ts - TR- scderea de temperatur n schimbtorul de cldur;Tc= Ts - T0 -creterea de temperatur n compresor.

Presiunea i temperatura la sfritul admisieipa, Ta n funcie de caracteristicile schimbtorului decldur i ale compresorului sunt date de urmtoarele relaii:

a s a Rp n p= 0 (18.43)i

T T T T A c R a= + sau

( ) ( )T T Eas

x

x

as

R a= +

0

1

1 1 1

(18.44)

unde: 0- coeficientul pierderilor la admisia n compresor0=p1/p019;a- coeficientul pierderilor la admisie, respectiv a =p0 /pSR

psrpresiunea dup schimbtorul de cldur;

R- coeficientul pierderilor n schimbtorul de cldur adic: RSR

s

R

s

p

p

p

p= = 1 20

n ultimii ani se constat orientarea diferit clar ntre sistemele de rcire a aerului desupraalimentare, n SUA folosindu-se sisteme ap-aer i sisteme de rcire aer-aer n Europa.

Sistemul de rcire aer-aer cu radiator frontal are un randament sporit la temperaturi joase alemediului de rcire, ns este mai voluminos dect sistemul ap-aer. Sistemul ap-aer este mai puineficient ns este mai simplu i mai ieftin.

Fig.18.26 Schema de amplasare a schimbtorului de cldur n circuitul de supraalimentare

108


23/23

O interesant dezvoltare a sistemului de rcire aer-aer este utilizarea unui turboventilatoralimentat cu aer de ctre turbocompresor. Acest sistem este mai puin eficient dect sistemul aer-aer curadiator frontal, ns este mai mic i performanele acestuia sunt mai aproape de cerinele motorului.

18.8.2 Rcirea aerului prin destindere

n acest caz destinderea poate fi practicat n cilindru sau ntr-o turbin.

Destinderea aerului n cilindru (metoda Miller) se efectueaz n modul urmtor: aerul comprimat ngrupul turbocompresor este rcit ntr-un schimbtor de cldur pn la aproximativ 600C dup careptrunde n motor. nainte ca pistonul s fi ajuns n PMI supapa de admisiune se nchide i aerul aflat ncilindru se destinde, presiunea i temperatura aerului marcnd o scdere. Nivelul de presiune poate fimrit prin creterea presiunii de alimentare. Rcirea este cu att mai pronunat cu ct supapa de admisieeste nchis mai devreme.

Metoda prezint ca principal dezavantaj nrutirea umplerii motorului i se aplic cu precderela motoarele cu turaie constant.

Destinderea aerului ntr-o turbin nainte de intrarea n motor prezint scderi importante detemperatur.

Schema de principiu este prezentat n figura 18.27.Aerul este comprimat de compresorul CA antrenat de turbina TA care funcioneaz cu gaze de

ardere dup care intr n al doilea compresor CB, n schimbtorul de cldur R, unde se rcete i n

turbina TB cuplat cu compresorul CB dup care intr n motor. n turbina TB aerul poate avea o scderemare de temperatur.Datorit pierderilor din grupul turbocompresor B i din schimbtorul de cldur R, presiunea

aerului la ieirea din turbin TB va fi mai mic dect la ieirea din compresorul CA.Temperatura sczut obinut permite presiuni mari de supraalimentare, limitatea acesteia fiind

impus numai de solicitrile mecanice ale motorului.

Fig.18.27 Schema de amplasare a schimbtorului de cldur la aplicarea procedeului Miller

Date post:	05-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	cristian-ifrim
View:	236 times
Download:	0 times

Calculul Si Contructia Instalatiei de Supra Aliment Are a Motoarelor Pentru Autovehicule Rutiere

Documents