	Aeronautica	Comunicatii	Constructii	Electronica	Navigatie	Pompieri
	Tehnica mecanica

Tehnica mecanica

Index » inginerie » Tehnica mecanica
» Particularitati ale procesului de schimb de gaze la motoarele supraalimentate

Particularitati ale procesului de schimb de gaze la motoarele supraalimentate

Particularitati ale procesului de schimb de gaze la motoarele supraalimentate

Sisteme TSA consacrata

Aplicarea procedeului de sa implica existenta unor particularitati ale procesului de schimb de gaze (PSG) din mSA fata de cel din motoarele cu admisie naturala (MAN). Evidentierea particularitatilor se face prin studierea diagramei de pompaj a unui MAI 4t SA (fig. 1).

Se constata ca presiunea p_a din cilindru, pe durata cursei de admisie este inferioara din punct de vedere valoric presiunii de supraalimentare p_s, datorita pierderilor gazodinamice cauzate de curgerea aerului prin colectorul de admisie.

Conditia necesara pentru a asigura admisia aerului in cilindri este ca presiunea din colectorul de admisie CA sa fie superioara celei a gazelor din cilindri. Indeplinirea conditiei este dependenta de modul in care se realizeaza optimizarea fazelor distributiei, care difera de cele ale M4tAN.

Astfel, avansul la deschidere supapei de evacuare (d.s.e.) este marit, fapt ce asigura o evacuare mai eficienta a gazelor arse.

In privinta intarzierii inchiderii supapei de admisie (i.s.a.), se impune marirea acesteia pentru a utiliza efectul inertial al fenomenelor dinamice din colectorul de admisie. Intr-adevar, pe durata PSG diferenta , unde p_CE este presiunea din colectorul de evacuare CE, creste, drept care este rational a mari intarzierea i.s.a. pentru a intensifica postumplerea inertiala.

Referitor la optimizarea momentelor inchiderii supapei de evacuare (i.s.e.) si deschiderii supapei de admisie (d.s.a.), mentionam ca acestea trebuie corelate in vederea realizarii unui baleiaj eficient.

Ca atare, durata Da_ds a deschiderii simultane a supapei de admisie si supapei de evacuare sau suprapunerea deschiderii supapelor la M4tSA este mult mai mare decat cea a MAN (fig. 2, in care s-a reprezentat variatia inaltimii de ridicare a supapelor de admisie si evacuare, SA si SE, in functie de unghiul de manivela: ).

Fig. 1

Pentru M4tSA avem Da_ds RAC, iar pentru M4tAN Da_ds RAC.

Acest lucru este dictat de faptul ca baleiajul trebuie sa asigure reducerea cantitatii de gaze arse reziduale, prin evacuare fortata a gazelor arse de catre aer si reducerea solicitarilor termice ale organelor motorului, cum ar fi supapele de evacuare si peretii camerei de ardere.

Eficienta baleiajului poate fi imbunatatita prin utilizarea fenomenelor dinamice din colectorul de evacuare, astfel incat, pe durata Da_ds a deschiderii simultane a supapelor, sa avem o crestere a diferentei de presiune p_CA p_CE, unde p_CA este presiunea aerului din colectorul de admisie.

Mai mult, urmarind variatiile presiunilor din cilindru p_cil, din colectorul de admisie p_CAsi cel de evacuare p_CE, vizualizate in figurile 3 si 4, pentru M4t si M2t, respectiv, se constata existenta unei perioade in care avem:

. (1)

In aceasta perioada, baleiajul se desfasoara in conditii optime, drept care optimizarea fazelor distributiei presupune stabilirea pozitiei si extinderii acesteia pe ciclu, pentru eficientizarea PSG.

Asadar, principalele masuri constructive luate pentru MSA in scopul eficientizarii procesului de schimb de gaze sunt:

existenta a cate doua supape de admisie SA si de evacuare SE, in scopul maririi sectiunii de trecere a gazelor;

marirea coeficientului de umplere , prin modificarea profilului camei aferente supapei respective; aceasta conduce la marirea timpului-sectiune TS al supapei respective; astfel, se poate mari presiunea de supraalimentare cu valoarea 0.1 0.2 bar, prin efect inertial al coloanei de admisie;

lungimea colectorului de admisie se va determina astfel incat sa se poata utiliza energia sistemului de unde de presiune din colectorul de admisie CA;

lungimea colectorului de evacuare CE se va alege pe aceleasi criterii ca si cele pentru CA; in scopul evitarii suprapunerii perioadelor de deschidere simultana a supapelor se va alege:

, (2)

in care -perioada ciclului motor; i-numarul de cilindri; d-decalajul unghiular intre doua aprinderi succesive;

atunci cand mai multi cilindri evacueaza in acelasi colector, este posibila solutia utilizarii mai multor colectoare de evacuare; numarul acestora se va determina din relatia:

, (3)

cu -numarul de cilindri ce evacueaza in acelasi colector, -numarul de colectoare in care evacueaza cilindrii motorului; de preferat ca , deoarece numarul de colectoare depinde de numarul de cilindri, de timpii motori si ordinea de aprindere, baleiajul fiind mai eficient pentru ;

volumul colectorului de evacuare raportat la volumul cilindrului:

; (4)

daca , se pot obtine impulsuri de presiune pe evacuare cu amplitudine suficient de mare, astfel incat diferentele din relatia (1) sa poata fi utilizate rational.

Interferenta undelor de presiune din traseul de evacuare este mai accentuata la sistemul TSA cu TI, aceasta interferenta a undelor reflectate cu procesul de baleiaj reprezentand unul din aspectele critice ale sistemului respectiv. Problema ridicata este stabilirea numarului de cilindri ale caror tubulaturi de evacuare pot fi conectate la aceeasi turbina, astfel incat interferenta mai sus amintita sa influenteze in mod pozitiv baleiajul.

Vom numi tubulaturile aferente fiecarui cilindru galerie de evacuare, iar tubulatura care asigura jonctiunea mai multor galerii colector de evacuare (fig. 5). Numarul maxim de cilindri care pot evacua gaze intr-un colector de evacuare este:

. (5)

Practic, MAI policilindrice TSA la presiune variabila utilizeaza mai multe colectoare care pot fi conectate chiar la aceeasi turbina, cand exista doar un agregat de TSA. De asemenea, valorile uzuale ale lui sunt .

In general, cea mai buna utilizare a energiei gazelor o asigura colectoarele de evacuare caracterizate, asa cum s-a mentionat deja, de , reusind sa foloseasca fenomenele dinamice (reflexiile undelor de presiune) in sensul imbunatatirii procesului de schimb de gaze.

In figura 5 se prezinta variatiile presiunii in colectorul de admisie , de evacuare , si cilindrul 1 , pentru un grup de trei cilindri conectati la acelasi CE, atat pentru un M4tSA (fig. 5,a), cat si pentru un M2t (fig. 5,b).

In cazul M4tSA, colectoarele cu asigura cea mai buna utilizare a energiei gazelor pana la un grad de comprimare , pentru TSA la presiune variabila, intr-o singura treapta. Pentru grade de comprimare mai mari de 3, turbina de impuls TI nu mai poate folosi eficient undele de presiune care au o amplitudine mare, drept care se impune folosirea sistemului TPC (la presiune constanta).

Pentru MAI2T, gradul de comprimare pentru care sistemul TSA la presiune variabila este superior celui la presiune constanta este . Intr-adevar aceste ultime doua concluzii pot fi justificate pornind de la exprimarea raportului puterilor turbinelor aferente celor doua sisteme de TSA:

, (6)

unde: sunt puterile turbinei cu impuls, respectiv de presiune constanta, randamentul total al turbinei cu impuls, respectiv de presiune constanta, caderea de entalpie prelucrata in turbina de presiune constanta, caderea de entalpie mediata pe un ciclu, prelucrata de turbina de impuls, caderea de entalpie asociata energiei cinetice a gazelor arse la intrarea in turbina de impuls, mediata pe un ciclu, si debitul masic al gazelor, respectiv entalpia totala (franata) a gezelor in fata turbinei TI.

Notand , avem pentru sistemul de TSA la presiune constanta si pentru cel de TSA la presiune variabila. Analiza datelor experimentale (fig. 6) demonstreaza ca la cresterea gradului de comprimare, marimea scade, ceea ce inseamna ca viteza de crestere a caderii de entalpie asociata energiei cinetice este mai mica decat cea a caderii de entalpie . Relatia (6) se poate rescrie astfel:

, (7)

unde .

Cum randamentul al turbinei cu impuls din sistemele de TSA ale MAC este mai mic cu aproximativ decat al turbinelor din sistemele de TSA cu presiune constanta, avem .

Fig. 5

Fig. 6

Deci, marimea produsului ne indica raporturile in care se afla puterile turbinelor. Pentru M2t avem , in conditiile (TSA la pre-

Fig. 7

siune variabila) si gradul de comprimare in gama de valori , iar pentru M4tSA in conditiile si .

Cresterea puterii motoarelor navale, deci si a amplitudinii undelor de presiune, ca si a randamentelor turbocompresorului TC () a redus dezavantajele sistemului de TSA la presiune constanta, care a fost adoptat pe scara larga pentru M2t destinate functionarii ca motoare de propulsie.

Anterior s-a mentionat ca TSA la presiune variabila utilizeaza optim energia gazelor arse atunci cand fiecare colector de evacuare este conectat la un numar de trei cilindri, iar pentru randamentul turbinei se reduce substantial. Sistemul de TSA cu convertor de impuls este un compromis intre sistemele de TSA la presiune variabila si cel la presiune constanta.

Convertorul de impuls

Este dispozitivul plasat pe traseul de evacuare care asigura o curgere nestationara a gazelor din cilindru si mentine, in acelasi timp, o curgere stationara la intrarea din turbina.

In figura 7 sunt prezentate cateva tipuri de convertoare. Unul dintre primele a fost cel de tip Birmann (fig. 7,a), care accelereaza un curent de gaze cu ajutorul unor ajutaje, astfel incat in zona A, a fiecarui cilindru, se creeaza un efect de suctiune sau ejectie in galeria de evacuare.

Insa convertorul trebuie sa diminueze pe cat posibil si efectul interferentei undelor de presiune asupra procesului de schimb de gaze. Existenta ajutajelor, care convertesc energia elastica (presiunea) in energie cinetica, reduce si posibilitatea propagarii undelor de presiune de la o galerie la alta. Deci, marimea ariei sectiunii oferite curgerii are o influenta foarte importanta.

Majoritatea convertoarelor utilizate sunt proiectate dupa principiul minimizarii pierderilor aferente curgerii prin dispozitiv, dar si a efectului interferentei undelor de presiune.

Convertorul de impuls simplu din figura 7,b este caracterizat de urmatoarele rapoarte ale ariilor colectorului , ajutajului si jonctiunii : . Presupunand ca pentru aranjamentul colectoarelor din aceeasi varianta, gazele evacuate de cilindrii 1 si 2 parcurg convertorul, se va constata in zona aferenta ajutajului cilindrilor 3 si 4 aparitia unui turbion. Acest turbion va impiedica aparitia unei curgeri semnificative dintr-un colector in altul, precum si propagarea undelor de presiune spre cilindrii 3 si 4.

Figura 7,c prezinta convertorul de impuls tip modul utilizat in traseele de evacuare ale M4tSA navale. Astfel gazele evacuate de cilindru sunt accelerate in ajutaj, asigurandu-se reducerea presiunii. Cum aria sectiunii transversale a colectorului este relativ mica, se mentine o viteza ridicata a curentului de gaze si o presiune scazuta.

Ca atare, in colector se poate mentine o presiune mai mica decat cea de supraalimentare, asigurand un proces de schimb de gaze optim. Jonctiunea intre colector si turbina se realizeaza prin intermediul unui difuzor.

Se constata ca turbina este alimentata cu gaze, in conditii stationare, prelucrand energie elastica si cinetica.

Particularitatile supraalimentarii motoarelor navale

Principalul procedeu de supraalimentare a MAC navale este TSA, iar variantele de TSA aplicate sunt dependente de natura ciclului motor: in doi sau patru timpi. Variantele de TSA utilizate sunt:

instalatie de SA cu turbosuflanta (TS) (fig. 8,a);

instalatie de SA in paralel (fig.8,b);

instalatie de SA in serie (fig. 8,b).

In toate schemele prezentate in figura 8, agregatul de TSA este un turbocompresor, iar suflantele aditionale in cazul M2t pot fi pompe de baleiaj sau electrocompresoare.

Instalatia de SA cu TS prezinta ca avantaje simplitatea constructiva si dependenta debitului de gaze arse de regimul de functionare al MAI, deci se asigura acordarea agregatului de SA cu motorul. Schema intai este caracteristica M4tSA si prezinta o racire intermediara a aerului de SA.

Din expresia densitatii:

, (8)

se observa imediat ca marirea acesteia datorata cresterii presiunii este afectata de cresterea temperaturii, care insoteste orice evolutie de comprimare.

Deci, racirea aerului asigura o marire a densitatii, compensand efectul cresterii temperaturii.

Notand -temperaturile la intrarea, iesirea si, respectiv, temperatura agentului de racire (in cazul MAC navale fiind apa de mare) la intrarea in racitorul de aer RA, putem defini eficienta racitorului de aer RA:

, (9)

Cresterea de temperatura in compresor este :

, (10)

in care este randamentul compresorului. Din relatiile (9) si (10), putem estima temperatura la intrarea in motor:

. (11)

Reducerea temperaturii aerului de SA prezinta si un alt avantaj: scaderea temperaturilor pe ansamblul ciclului, de unde si solicitarile termice ale organelor motorului vor fi mai reduse.

Schema 8,a nu se aplica la M2t, deoarece acestea necesita a sursa suplimentara de aer in cazul functionarii la sarcini partiale mici sau pornirii, fapt evidentiat in paragraful 12.1.3.

Schema 8,b prezinta doua modalitati de functionare in comun a agregatului de TSA (TS₂) si a sursei suplimentare de aer, respectiv electrocompresorul S₁. Electrocompresorul poate fi cuplat in serie cu TS₂, astfel incat prima treapta de comprimare o reprezinta S₁, iar a doua TS₂.

Fig. 8

In cazul cuplarii in paralel, ambele compresoare refuleaza direct in colectorul de admisie (sau baleiaj) al motorului.

Varianta serie este utilizata de motoarele tip KSZ ale firmei MAN, iar cea in paralel apare la motoare ale firmei B&W.

Variante deosebite din punct de vedere constructiv ale instalatiei de SA serie sunt prezentate in schemele 8,c si 8,d. Prima dintre ele este aplicata de firma Sulzer familiilor de motoare RND si RD, a doua treapta de comprimare fiind realizata in incinta inchisa de sub piston.

Schema 8,d este aplicata motoarelor FIAT, la care a doua treapta de comprimare este o pompa de baleiaj PB, al carei piston primeste miscarea alternativa prin intermediul unei legaturi mecanice rigide cu pistonul motorului.

Cresterea puterii dezvoltate de motoarele actuale utilizate in domeniul naval, precum si a randamentului turbocompresoarelor a permis aplicarea sistemelor turbocompound, care conduc la marirea eficientei termice a M2t si reducerea consumului specific de combustibil.

Astfel, firmele Sulzer si MAN au dezvoltat doua sisteme turbocompound: PTI (Power Take In) si PTO (Power Take Off), la motoarele in doi timpi, cu baleiaj in echicurent din familia RTA, respectiv MC, destinate functionarii ca motoare principale (de propulsie).

In cazul sistemului PTI, arborele cotit al MAI este cuplat printr-un angrenaj cu roti dintate cu arborele unei turbine de putere (booster) T₂ (fig. 9,a).

La sarcini partiale , turbina booster este alimentata cu o fractiune din debitul de gaze arse evacuate, asigurand cresterea puterii cedate de motor consumatorului. Acest lucru este posibil deoarece, pentru astfel de regimuri de functionare, nu este necesara prelucrarea in turbina T₁ a intregului debit de gaze evacuat de motor pentru a asigura lucrul mecanic de antrenare a compresorului C.

In ceea ce priveste sistemul PTO (fig. 9,b), motorul principal poate antrena un generator de curent electric G.

Angrenajul de cuplare este capabil de a prelua variatiile de turatie ale motorului.

Referitor la M4tSA, destinate in general functionarii ca motoare auxiliare la bordul navelor, amintim ca particularitate importanta posibilitatea de acordare a sistemului de TSA cu regimul de functionare al motorului, deci cu sarcina acestuia.

Intr-adevar, regimul de functionare al unui motor auxiliar acopera o gama foarte larga de sarcini partiale, drept care flexibilitatea sistemului de SA este foarte importanta.

Acest lucru a fost realizat in cazul firmei Sulzer (fig. 8,e) prin utilizarea unui turbocompresor cu randament ridicat (peste 60%), colectorului de evacuare cu convertoare de impuls tip modul, clapetului de bypass B₁ intre tubulatura de refulare a compresorului si cea de evacuare gaze arse din motor si clapetul CR de pe colectorul de admisie CA.

Avantajul utilizarii convertorului de impuls este evident: turbina va prelucra deopotriva energie potentiala si cinetica.

Clapetul B₁ imbunatateste conditiile de functionare ale turbinei de tip centripet la regimuri de functionare ale motorului caracterizate de sarcini partiale.

Deci, pentru sarcini , B₁ este deschis, ceea ce va duce la cresterea presiunii in amontele turbinei si a debitului de gaze care o parcurge. Rezultatul il constituie cresterea presiunii de SA.

Clapetul CR asigura obtinerea unui dozaj optim aer-combustibil pentru sarcini partiale si limitarea presiunii maxime de ardere la sarcini , pentru evitarea suprasarcinilor.

Un astfel de sistem de TSA poate permite functionarea motorului cuplat si cu un propulsor, deci M4tSA poate fi utilizat ca motor principal.

Firma MAN utilizeaza si ea un sistem de TSA asemanator (fig. 8,f), a carui flexibilitate o asigura clapetul B₂, care este deschis pentru sarcini . Se reuseste astfel optimizarea functionarii la sarcini partiale mici.

Schema din figura 8,g este o varianta de sistem de TSA cu doua trepte de comprimare si racire intermediara, solutie aplicata de firma PIELSTIECK motoarelor sale in patru timpi.

Fig. 9