Ministerul Educaiei, Cercetrii, Tineretului i Sportului UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC

ing. Cristian-Ioan LEAHU

OPTIMIZAREA FUNCIONRII MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE CU AGREGATELE DE

SUPRAALIMENTARE

OPTIMISATION OF COMPRESSION IGNITION ENGINE USING SUPERCHARGING SYSTEMS

Rezumatul tezei de doctorat

Summary of PhD Thesis

CONDUCTOR TIINIFIC:

Prof.univ.dr.ing. Gheorghe-Alexandru RADU Membru al Academiei de tiine Tehnice din Romnia

BRAOV, 2011

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI I SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

BRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525 RECTORAT

_________________________________________________________________________

Ctre ..........................................................................................

V aducem la cunotin c n ziua de joi, 07.07.2011, ora 10.30, n Aula Sergiu T. Chiriacescu a Universitii Transilvania din Braov, b-dul Iuliu Maniu nr. 41 A, sala U.II.3, la FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC, va avea loc susinerea public a tezei de doctorat intitulat: OPTIMIZAREA FUNCIONRII MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE CU AGREGATELE DE SUPRAALIMENTARE, elaborat de domnul ing. LEAHU I. Cristian-Ioan n vederea obinerii titlului tiinific de DOCTOR n domeniul INGINERIE MECANIC.

Comisia de doctorat are urmtoarea componen:

PREEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Ioan Clin ROCA PRODECAN Facultatea de Inginerie Mecanic Universitatea Transilvania din Braov

CONDUCTOR TIINIFIC: - Prof. univ. dr. ing., dr. h. c. Gheorghe-Alexandru RADU Universitatea Transilvania din Braov

REFERENI: - Prof. univ. dr. ing. Nicolae BURNETE Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca

- Prof. univ. dr. ing. Edward RAKOSI Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai

- Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU Universitatea Transilvania din Braov

n acest scop v trimitem alturat rezumatul tezei de doctorat i v invitm s luai parte la susinerea public a tezei de doctorat.

Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le transmitei pe adresa Facultii de Inginerie Mecanic, str. Politehnicii nr. 1, tel/fax: 0268 474761, sau pe adresa de email: cristian.leahu@yahoo.com.

CUVNT NAINTE

Lucrarea de fa urmrete, prin aspectele de cercetare abordate, metodele de mbuntire a parametrilor energetici i ecologici ai motoarelor cu aprindere prin comprimare.

n vederea ameliorrii performanelor energetice i ecologice ale motoarelor cu aprindere prin comprimare pentru autovehicule este necesar ca motoarele s fie echipate cu agregate de supraalimentare care s permit realizarea unui proces de supraalimentare cu un grad ridicat de flexibilitate i care s asigure obinerea unor valori adecvate ale coeficientului de umplere la fiecare regim de funcionare a motorului supraalimentat.

Cercetarea experimental s-a desfurat n cadrul Laboratorului de ncercri Motoare al Catedrei de Autovehicule i Motoare, Facultatea de Inginerie Mecanic, Universitatea Transilvania din Braov, unde s-a urmrit mbuntirea procesului de supraalimentare a motorului 392 L4 DT de fabricaie romneasc, prin optimizarea funcionrii acestuia cu agregatul de supraalimentare cu unde de presiune de tip Comprex.

Supraalimentarea cu agregat de tip Comprex a fost extrem de puin studiat n ara noastr; de aceea, pe baza unui model matematic conceput n cadrul Catedrei de Autovehicule i Motoare a Universitii Transilvania din Braov am studiat evoluia principalilor parametri caracteristici ai curgerii prin canalele practicate n rotorul Comprex-ului, punnd n eviden posibilitatea real a obinerii presiunii de supraalimentare.

S-a constatat, de asemenea, c un rol esenial n acordarea unui agregat de tip Comprex cu un motor cu aprindere prin comprimare l are turaia de lucru a Comprex-ului. Ca urmare, demersul tiinific i tehnic prezentat n aceast lucrare se axeaz n principal pe gsirea turaiilor optime de antrenare a Comprex-ului, criteriile fiind: consumul specific de combustibil i emisiile poluante chimice. n permanen am raportat performanele obinute la cele furnizate de acelai motor, dar echipat cu turbosuflant, aceast variant considerndu-se de referin.

Realizarea cercetrilor a fost posibil datorit echipamentelor destinate investigaiilor experimentale ale motoarelor cu ardere intern, de generaie foarte recent, achiziionate n cadrul Departamentului de Cercetare D02 Produse High-Tech pentru Autovehicule al Universitii Transilvania din Braov, condus de domnul profesor universitar dr. ing. Anghel Chiru, n calitate de Director, cruia i mulumesc pe aceast cale.

n perioada desfurrii cercetrilor experimentale i a elaborrii acestei lucrri n ansamblul ei, am beneficiat de un sprijin substanial prin sugestiile valoroase i orientrile metodologice i tiinifice preioase, de aleas competen, oferite de conductorul meu tiinific, profesor universitar dr. ing. dr.h.c. Gheorghe-Alexandru Radu, membru al Academiei de tiine Tehnice din Romnia, cruia doresc s-i adresez, cu acest prilej, cele mai sincere mulumiri mpreun cu ntreaga mea recunotin, asigurndu-l totodat de un profund respect.

De asemenea, mulumesc membrilor Catedrei de Autovehicule i Motoare, cu preocupri n domeniul motoarelor cu ardere intern, cercetrii experimentale i modelrii, pentru sugestiile i sfaturile pertinente de care am beneficiat ntr-o msur apreciabil.

Un gnd de aleas recunotin i mulumire se ndreapt ctre dr. ing. Vladimir Mrdrescu, drd. ing. Marius Hrceag, drd. ing. Sorin Hamza i ing. Marian Hermeneanu, care m-au sprijinit n realizarea investigaiilor experimentale.

Totodat, i mulumesc domnului tehnician electronist Mihai Fntnaru de la Catedra de Electronic i Calculatoare a Facultii de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor, care a creat condiii pentru utilizarea echipamentelor de acionare a motoarelor electrice utilizate n timpul cercetrilor experimentale.

Braov, 2011 Cristian-Ioan Leahu

CUPRINS Tez Rez.1. ACTUALITATEA I OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

1.1. Introducere .............................................................. 11 1

1.2. Actualitatea temei ............................................................................................................... 11 1

1.3. Obiectivele tezei de doctorat .................................................................................................. 16 1

1.4. Structura i coninutul tezei de doctorat ................................................................................. 16 2 2. STUDIU CRITIC PRIVIND MBUNTIREA PARAMETRILOR ENERGETICI I ECOLOGICI AI MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE

2.1. mbuntirea parametrilor energetici de putere ..................................................................... 18 3

2.1.1. Principalii parametri energetici de putere ..................................................................... 18 3

2.1.2. Influene asupra performanelor energetice de putere .................................................. 19 4

2.1.3. mbuntirea parametrilor energetici de putere prin supraalimentare ......................... 21 5

2.2. mbuntirea parametrilor energetici de economicitate .................................................... 30 9

2.2.1. Principalii parametri energetici de economicitate .................................................... 30 9

2.2.2. Influene asupra performanelor energetice de economicitate .................................. 31 9

2.2.3. Principalele ci de mbuntire a parametrilor energetici de economicitate ........... 33 11

2.3. mbuntirea parametrilor ecologici ai motoarelor cu aprindere prin comprimare .............. 37 11

2.3.1. Msuri de combatere la genez a formrii emisiilor poluante chimice la motoarele cu aprindere prin comprimare ............................................................................................. 37

2.4. Concluzii ............................................................................................................................ 40 11 3. CONSIDERAII PRIVIND PROCESUL DE SUPRAALIMENTARE A MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE CU AGREGATUL DE TIP COMPREX

3.1. Constructia agregatului de supraalimentare de tip Comprex ..... 43 13

3.1.1. Scurt istoric al Comprex-ului ................................................................................... 43 13

3.1.2. Principalele componente ale Comprex-ului ............................................................. 44 14

3.1.3. Modelele Comprex-ului ........................................................................................... 47 17

3.2. Functionarea agregatului de supraalimentare de tip Comprex ........................................... 48 17

3.3. Puterea consumat pentru antrenarea Comprex-ului .......................................................... 52 21

3.4. Modificri operate asupra unui autovehicul n vederea echiprii cu un Comprex ............. 53

3.5. Concluzii privind supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare cu Comprex 54 21 4. ANALIZA N MEDIU VIRTUAL A PROCESELOR DESFURATE N CANALELE AGREGATULUI DE SUPRAALIMENTARE DE TIP COMPREX CX-93

4.1. Consideraii generale .......................................................................................................... 56 22

4.2. Modelul geometric al simulrii .......................................................................................... 56 22

4.3. Modelul matematic al simulrii .......................................................................................... 57 23

4.4. Rezultatele simulrii ....................................................................... 59 24

4.5. Compararea datelor obinute prin simulare cu cele rezultate din cercetarea experimental .. 64 25

4.6. Concluzii ............................................................................................................................ 65 26 5. OBIECTIVELE I STRATEGIA INVESTIGAIILOR EXPERIMENTALE

5.1. Scopul i obiectivele cercetrii experimentale ................................................................... 66 27

5.2. Condiiile generale ale investigaiilor experimentale ................. 66 27

5.3. Strategia investigaiilor experimentale ........................................................... 67 28

5.3.1. Desfurarea investigaiilor experimentale ale motorului 392 L4 DT supraalimentat cu turbosuflant ................................................................................................................... 67 28

5.3.2. Desfurarea investigaiilor experimentale ale motorului 392 L4 DT supraalimentat cu agregat de tip Comprex CX-93 ...................................................................................... 67 28

6. ADAPTAREA LA MOTORUL 392 L4 DT A INSTALAIEI DE SUPRAALIMENTARE CU UNDE DE PRESIUNE DE TIP COMPREX CX-93

6.1. Montarea Comprex-ului CX-93 pe motorul 392 L4 DT .................................................... 71 32

6.2. Sistemul de antrenare a Comprex-ului ............................................................................... 72 33

6.2.1. Motorul electric de antrenare a Comprex-ului ......................................................... 72 33

6.2.2. Suportul motorului electric trifazat .......................................................................... 74 35

6.2.3. Transmisia cuplului de antrenare ............................................................................. 75 36

6.3. Echipamentul de comand a motorului electric trifazat ..................................................... 78 39 7. INSTALAIILE, APARATURA I METODOLOGIA REALIZRII INVESTIGAIILOR EXPERIMENTALE I A PRELUCRRII DATELOR

7.1. Obiectul cercetrii experimentale ....................................................................................... 80 41

7.2. Instalaia de investigare a calitilor energetice i ecologice ale motorului supraalimentat ... 80 42

7.2.1. Frna hidrodinamic ..................................................... 83

7.2.2. Sistemul de rcire din componena standului de ncercri ....................................... 84 42

7.2.3. Sistemul de msurare i condiionare a consumului de combustibil ........................ 85 43

7.2.4. Sistemul de admisie i msurare a aerului consumat de motor ................................ 86 44

7.2.5. Senzorii utilizai n investigarea experimental ....................................................... 88 45

7.2.6. Echipamentul de achiziie i prelucrare a semnalelor furnizate de senzori .......... 94 47

7.2.7. Aparatura pentru analiza gazelor de evacuare .......................................................... 97 49

7.2.8. Echipamente speciale destinate investigaiilor experimentale ale motorului 392 L4 DT supraalimentat cu agregat de tip Comprex ......................................................... 104 50

7.3. Metodica investigaiilor experimentale, achiziiei i a prelucrrii datelor ......................... 106

7.4. Prelucrarea statistic a datelor experimentale ............................................................................ 114

7.5. Concluzii ................................................................................................................................ 115 518. ANALIZA REZULTATELOR EXPERIMENTALE

8.1. Rezultatele experimentale obinute pe motorul 392 L4 DT supraalimentat cu turbosuflant .... 116 52

8.1.1. Analiza parametrilor de interes ai motorului 392 L4 DT turbosupraalimentat ................ 116 52

8.1.2. Nivelul emisiilor poluante din gazele de evacuare ale motorului turbosupraalimentat ... 123 53

8.2. Analiza rezultatelor experimentale ale investigaiilor de baz asupra motorului 392 L4 DT pentru stabilirea turaiilor optime de antrenare a Comprex-ului ....................................... 123 54

8.2.1. Evoluia consumului specific i a emisiei de fum n funcie de turaia de antrenare a Comprex-ului .......................................................................................... 124 54

8.3. Variante de antrenare a Comprex-ului configurate n urma analizei rezultatelor experimentale de baz ................................................................................................................... 135 59

8.3.1. Analiza parametrilor de interes ai motorului 392 L4 DT supraalimentat cu agregat de tip Comprex antrenat cu turaie variabil independent de motor .................................. 136 60

8.3.2. Analiza parametrilor de interes ai motorului 392 L4 DT supraalimentat cu agregat de tip Comprex antrenat cu turaie constant ...................................................................... 144 65

8.3.3. Analiza parametrilor de interes ai motorului 392 L4 DT supraalimentat cu sistemul dual Comprex-turbosuflant ....................................................................................... 149 70

8.3.4. Puterea consumat pentru antrenarea Comprex-ului ................................................ 157 73

8.4. Analiza comparativ a performanelor energetice i ecologice ale motorului 392 L4 DT obinute n cadrul variantelor de supraalimentare cu Comprex i cu turbosuflant .................. 160 75

8.4.1. Variaiile procentuale ale valorilor parametrilor de interes obinute la supraalimentarea motorului 392 L4 DT cu Comprex, fa de valorile obinute prin turbosupraalimentare ...... 160 75

9. CONCLUZII GENERALE I CONTRIBUII PERSONALE

9.1. Concluzii generale .................................................................................................. 169 80

9.2. Contribuii personale .......................................................................................................... 171 82 BIBLOGRAFIE ........................................................................................................................... 174 84 ANEXE ......................................................................................................................................... 179

1

1. ACTUALITATEA I OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

1.1. Introducere

Ultimele decenii au adus n prim plan, n existena motorului cu ardere intern (MAI), dou probleme de importan major: economia de combustibil i poluarea.

Economia de combustibil s-a impus cu severitate ca urmare a semnalelor de alarm lansate de criza combustibilului de origine petrolier, care a determinat i scumpirea vertiginoas a acestuia, iar combaterea polurii ca urmare a efectelor produselor poluante chimice din gazele de evacuare asupra sntii oamenilor i a mediului.

Din acest motiv cerinele actuale manifestate pe piaa automobilelor impun o mbuntire permanent a parametrilor energetici i ecologici ai MAI-urilor.

Dei la ora actual exist o gam larg de soluii alternative la clasicele motoare cu aprindere prin scnteie (MAS) i cu aprindere prin comprimare (MAC), acestea din urm, reprezint cel mai mare segment pe piaa automobilelor pentru toate categoriile de autovehicule. Succesul se datoreaz reelelor de distribuie i servisare pentru autovehicule, precum i a combustibililor utilizai, ca rezultat al uriaului efort de cercetare desfurat n acest domeniu.

Aadar, pentru obinerea reducerii consumului de combustibil i a emisiilor poluante chimice provenite de la MAI fr penalizri asupra performanelor de putere, trebuie s se apeleze la toate msurile necesare i s se valorifice toate posibilitile conturate n vederea realizrii unui proces de formare i de ardere a amestecului carburant cu un randament ct mai ridicat.

1.2. Actualitatea temei

Teza de doctorat se nscrie n preocuprile actuale ale productorilor de MAI pentru autovehicule care vizeaz simultan: parametrii ecologici ameliorai i economicitate mbuntit, n condiiile meninerii performanelor de cuplu i de putere.

Aceste tendine ale productorilor de motoare pentru autovehicule se datoreaz, n principal, restriciilor din ce n ce mai exigente impuse de reglementrile Uniunii Europene, cu privire la emisiile poluante chimice.

n acest context MAC-ul s-a impus fa de MAS, mai ales n cazul autovehiculelor comerciale, datorit avantajelor majore pe care le prezint n ceea ce privete nivelul redus al consumului de combustibil, precum i al emisiilor de hidrocarburi nearse (HC) i monoxid de carbon (CO). ns, pentru o mbuntire continu a calitii aerului, prin respectarea valorilor limit ale emisiilor impuse de legislaia european, este necesar reducerea considerabil a emisiilor poluante chimice ce provin de la vehiculele echipate cu MAC-uri, fr diminuarea avantajelor acestui tip de motor, amintite anterior.

1.3. Obiectivele tezei de doctorat

n conformitate cu cerinele actuale impuse de legislaia european cu privire la emisiile poluante chimice provenite de la motoarele de autovehicule, apare ca justificat abordarea temei legate de optimizarea funcionrii MAC-urilor cu agregatele de supraalimentare n vederea obinerii ameliorrii performanelor ecologice i de economicitate n condiiile meninerii celor de cuplu i putere.

Teza i propune s aduc n prim plan avantajele supraalimentrii MAC-urilor cu ajutorul agregatelor de tip Comprex prin aplicarea acestui procedeu la un motor de construcie romneasc.

Latura experimental a lucrrii const n echiparea unui MAC cu ID (echipat, n varianta oferit de constructor, cu agregatul de supraalimentare de tip turbosuflant) cu un sistem de supraalimentare cu unde de presiune de tip Comprex i optimizarea funcionrii lor comune. Pentru a putea realiza acest lucru, Comprex-ul va fi antrenat de un motor electric cu o turaie variabil, independent de motor, ntregul sistem supus investigaiei experimentale va fi instrumentat

2

corespunztor cu senzori i sisteme de achiziie i prelucrare de date ce aparin Laboratorului de ncercri Motoare din cadrul Catedrei de Autovehicule i Motoare, Facultatea de Inginerie Mecanic, Universitatea Transilvania din Braov.

Latura teoretic a lucrrii o constituie analiza n mediu virtual a proceselor ce au loc n canalele celulare ale agregatului de supraalimentare de tip Comprex, urmrindu-se n principal evoluia parametrilor ce determin succesul procesului de supraalimentare.

1.4. Structura i coninutul tezei de doctorat

Pentru atingerea obiectivelor pe care ni le-am propus, lucrarea a fost structurat n 9 capitole, dup cum urmeaz:

n cadrul CAPITOLULUI 1 s-au prezentat att actualitatea temei ct i obiectivele prezentei lucrri i paii urmai n vederea finalizrii cercetrilor.

CAPITOLUL 2 conine un studiu critic privind principalii parametri energetici i ecologici ai MAC-urilor, precum i influenele exercitate asupra lor i metodele de ameliorare a acestora. n urma acestui studiu s-a identificat direcia de cercetare ce prezint un potenial real al mbuntirii performanelor energetice i ecologice ale motoarelor: supraalimentarea forat realizat cu ajutorul unui compresor cu unde de presiune de tip Comprex.

CAPITOLUL 3 prezint o descriere constructiv i funcional a agregatului de supraalimentare de tip Comprex. De asemenea, s-au identificat i analizat modificrile constructive ce trebuie aduse motoarelor echipate cu acest tip de agregat de supraalimentare.

CAPITOLUL 4 prezint analiza n mediu virtual a proceselor desfurate n canalele celulare ale agregatului de supraalimentare de tip Comprex CX-93, n timpul unui ciclu de funcionare realizat n condiii ideale.

n CAPITOLUL 5, odat identificat soluia de optimizare a funcionrii MAC-ului cu agregatul de tip Comprex, s-au stabilit obiectivele cercetrii experimentale. Astfel a fost posibil adoptarea strategiei investigaiilor experimentale ce s-a finalizat cu stabilirea variantelor de antrenare a Comprex-ului i a turaiilor optime la care ameliorarea performanelor energetice i ecologice ale motorului echipat cu agregat de tip Comprex este semnificativ n comparaie cu cele obinute n cazul supraalimentrii motorului cu turbosuflant.

CAPITOLUL 6 prezint att constructia sistemului de adaptare a agregatului de supraalimentare de tip Comprex pe motorul 392 L4 DT ct i construcia i funcionarea sistemului de antrenare i comand a motorului electric ce antreneaz Comprex-ul. De asemenea, s-au prezentat toate soluiile de antrenare a Comprex-ului care s-au avut n vedere n timpul cercetrii. CAPITOLUL 7 prezint construcia i structura standului pentru cercetarea experimental, amplasarea i modul de funcionare a aparaturii utilizate n cadrul investigaiilor experimentale, precum i expresiile de calcul ale parametrilor determinai. De asemenea, este prezentat att metodica de desfurare a investigaiei experimentale, ct i metodica de achiziie i prelucrare a datelor prelevate.

n CAPITOLUL 8 se prezint rezultatele obinute n urma investigaiilor experimentale ce cuprind: rezultatele experimentale de referin obinute cu motorul 392 L4 DT n varianta original oferit de constructor (supraalimentat cu turbosuflant); rezultatele experimentale de baz obinute n varianta motorului supraalimentat cu Comprex-ul antrenat cu turaie variabil, independent de motor. Din analiza acestor ultime valori experimentale au reieit 3 variante de antrenare a Comprex-ului, ale cror rezultate experimentale finale au fost ulterior prezentate. Concomitent s-a determinat puterea consumat de Comprex n toate variantele de antrenare stabilite. Acest capitol s-a ncheiat cu o analiz comparativ a rezultatelor experimentale obinute n cadrul variantelor de supraalimentare cu Comprex i cu turbosuflant (varianta de referin).

CAPITOLUL 9 prezint concluziile generale ale cercetrii, contribuiile personale ale autorului i direciile de cercetare n domeniul dezvoltrii sistemelor de supraalimentare cu agregat de tip Comprex.

3

2. STUDIU CRITIC PRIVIND MBUNTIREA PARAMETRILOR ENERGETICI I ECOLOGICI AI MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN

COMPRIMARE

La motoarele actuale, cu toate progresele realizate, o proporie relativ modest din energia eliberat de combustibil n cilindrul motorului se livreaz sub form de energie mecanic util pentru propulsie. Pierderile de cldur din cea netransformabil n energie mecanic nu se pot imputa motorului propriu-zis, ci modului n care se transform cldura n energie mecanic, respectiv concepiei instalaiei energetice pentru propulsie.

Pierderile cu adevrat proprii motorului n structura actual sunt cele datorate frecrii pieselor aflate n micare, energiei consumate pentru antrenarea echipamentelor auxiliare, scderii randamentului la unele regimuri de funcionare datorit nrutirii schimbului de gaze, formrii amestecului i arderii, necorelrii condiiilor de rcire i de ungere cu regimul de sarcin i turaie etc. Pe de alt parte trebuie avute n vedere i rezervele de cretere a randamentului la motoarele n strucutra actual, prin supraalimentare.

Prin urmare, n faa concepiei se pun att problemele schimbrii structurilor instalaiilor energetice pentru a se mri proporia cldurii transformate n energie mecanic utilizabil la propulsia autovehiculelor ct i ale optimizrii, la toate regimurile, a proceselor de schimb de gaze, de formare a amestecului i de ardere. O mare rezerv de mbunire a parametrilor energetici i ecologici o constituie optimizarea proceselor de schimb de gaze, de formare a amestecului i de ardere la regimurile tranzitorii, aceste regimuri avnd ponderea cea mai mare din timpul funcionrii motoarelor n exploatare.

Aadar pentru a se vedea cu exactitate rezervele energetice i ecologice ale MAI-urilor, ce pot fi exploatate la maxim, n cele ce urmeaz se vor analiza att parametrii energetici de putere i de economicitate, pe baza relaiilor definitorii ale acestora, ct i parametrii ecologici.

2.1. mbuntirea parametrilor energetici de putere 2.1.1. Principalii parametri energetici de putere

Performanele energetice de putere ale unui motor sunt exprimate, n general, de urmtorii parametri indicai i efectivi: lucrul mecanic, lucrul mecanic specific, presiunea medie, puterea i momentul motor, precum i de puterea litric ce reprezint cel mai important indice de porforman energetic de putere.

Lucrul mecanic indicat Li este proporional cu volumul cilindrului Vs. n valoare absolut el este un indice de performan, artnd dac un motor este cantitativ superior altuia, dar nu este un indice de perfeciune neartnd dac un motor este calitativ superior altuia. Pentru a se putea compara gradul de perfeciune a proceselor reprezentate n diagrama indicat trebuie s se defineasc o mrime raportat. Aceast mrime se numete lucrul mecanic specific indicat li i reprezint lucrul mecanic indicat dezvoltat pe unitate de cilindree, sau cu alte cuvinte el arat ce performan de lucru mecanic se poate obine dintr-un [dm3], fiind un indice fundamental de comparaie a motoarelor.

Acestui indice fundamental, ce apreciaz perfeciunea diagramei indicate, i s-a atribuit dimensiunile unei presiuni denumit presiune medie indicat pmi. Ea se poate defini ca fiind o presiune convenional ca mrime, care acionnd asupra pistonului n timpul detentei ar produce un lucru mecanic util egal cu ntreg lucrul mecanic indicat al ciclului.

sisimii VLViLipl // === (2.1) unde: i reprezint numrul de cilindri; Vs cilindreea unitar.

4

Pe baza lucrului mecanic indicat se definete puterea indicat Pi, adic puterea dezvoltat n cilindrul motorului.

==

30niVpNLP smiii [kW] (2.2)

unde: N este numrul ciclurilor realizate pe secund; n - turaia arborelui cotit; - numrul de timpi ai motorului.

Momentul motor indicat Mi se caculeaz cu ajutorul relaiei dintre putere i turaie: nPconstM ii = . (2.3)

MAI-ul consum o parte din lucrul mecanic dezvoltat n cilindru (Li) pentru nvingerea frecrilor dintre piesele aflate n micare i pentru acionarea instalaiilor auxiliare. De aceea lucrul mecanic dezvoltat de toi cilindrii (iLi) este mai mare dect lucrul mecanic transmis sistemului de propulsie, denumit lucrul mecanic efectiv Le, n timp ce diferena este lucrul pierderilor mecanice Lm.

mie LLL = (2.4) Mrimile efective ale: lucrului mecanic specific, presiunii medii, puterii i momentului

motor se definesc analog mrimilor indicate, dup cum urmeaz:

sesemee VLViLipl // === (2.5)

30niVpP smee

= [kW] (2.6)

nPconstM ee = . (2.7)

Principalul parametru energetic de putere al unui motor este puterea litric PL, acest parametru este egal cu puterea efectiv dezvoltat de motor pe unitatea de cilindree:

=

=

30np

iVPP mes

eL [kW/l] (2.8)

2.1.2. Influene asupra performanelor energetice de putere

Din relaia (2.8) se observ c exist o singur posibilitate important de mrire a puterii litrice i implicit a performanelor energetice de putere ale unui motor ce funcioneaz dup un ciclu dat i anume aceea de sporire a presiunii medii efective.

Pentru a se urmri cu exactitate influenele diverilor parametri asupra performanelor energetice de putere ale unui MAI sau mai precis asupra puterii efective i a puterii litrice a acestuia, presiunea medie efectiv va fi exprimat n funcie de factorii de care depinde, dup cum urmeaz:

amvii

me LQ

constp

=

min

. (2.9)

n care: Qi reprezint puterea caloric inferioar; Lmin - cantitatea minim de aer necesar arderii a 1 [kg] de combustibil; - coeficentul de exces de aer; i - randamentul indicat; v - coeficientul de umplere; a - densitatea aerului admis n cilindrii motorului.

Din relaia (2.9) se observ c mrimea presiunii medii efective a unui motor care funcioneaz cu un singur tip de combustibil poate fi mrit, n principal, dac se mbuntesc urmtorii parametri: randamentul indicat i , coeficientul de umplere v i densitatea aerului admis n cilindrii motorului a .

5

2.1.3. mbuntirea parametrilor energetici de putere prin supraalimentare 2.1.3.1. Consideraii generale

Aa dup cum am vzut, parametrii energetici de putere sunt proporionali cu valoarea coeficientului de umplere sau altfel spus cu valoarea consumului orar de aer. La un MAI n patru timpi, sporirea consumului de aer la aceeai turaie i cilindree total, se obine prin mrirea densitii aerului admis a n cilindrii motorului. Aceast cretere a densitii va determina creterea masei amestecului carburant proaspt cuprins n cilindri, iar aceasta va genera, n final, sporirea performanelor energetice de putere ale motorului. Procedeul prin care se mrete presiunea pa i implicit densitatea aerului admis a n cilindrii MAI-ului la o valoare ce o depete pe cea a mediului ambiant, se numete supraalimentare.

n cele ce urmeaz se vor prezenta n esen cele mai importante sisteme/agregate de supraalimentare utilizate la motoarele de autovehicule, o atenie special acordndu-se compresorului cu unde de presiune (CUP) de tip Comprex. [25]

2.1.3.2. Supraalimentarea cu agregat de tip turbosuflant Un MAI, cu aspiraie natural, reuete s converteasc n lucru mecanic efectiv doar o parte

din energia obinut prin arderea combustibilului. Eficiena unui astfel de motor este de 30 pn la 40 [%], valorile mai ridicate fiind pentru MAC, iar cele mai sczute pentru MAS. Restul de energie este pierdut prin frecare i cedare de cldur, cea mai mare pondere avnd-o pierderile de cldur prin intermediul gazelor de evacuare.

Agregatul de turbosupraalimentare utilizeaz o parte a energiei coninut n gazele de evacuare pentru a antrena o turbin. Aceasta antreneaz la rndul ei un compresor centrifugal, (suflanta), care se afl pe acelai arbore cu turbina i care comprim ncrctura proaspt.

Turbosupraalimentarea este folosit nu numai pentru creterea performanelor energetice ale motorului (fig.2.2) ci i pentru compensarea acestora, cum se ntmpl n cazul scderii densitii aerului odat cu creterea altitudinii. Aceast scdere de densitate va duce la o nrutire a umplerii cilindrilor, rezultnd astfel o reducere a performanelor energetice ale motorului.

Turbosuflanta convenional Supraalimentarea cu ajutorul turbosuflantei convenionale prezint o cretere a

performanelor energetice de putere ale motorului, deoarece utilizeaz o parte din energia gazelor arse pentru a crete presiunea de admisie. Totodat, debitul de aer admis depinde att de turaia motorului ct i de sarcina lui, astfel c atunci cnd motorul funcioneaz la turaii i sarcini joase, energia gazelor de evacuare este mic, iar din aceast cauz presiunea de supraalimentare fiind foarte apropiat de cea atmosferic performanele energetice ajung s fie mai mici dect la un motor cu aspiraie natural care funcioneaz n aceleai condiii. O alt caracteristic nedorit a motoarelor supraalimentate prin intermediul turbosuflantei convenionale este rspunsul ntrziat la o cretere brusc de sarcin datorit ineriei rotoarelor turbosuflantei, acestea neputnd fi reduse orict de mult, deoarece, odat cu scderea dimensiunilor agregatului de turbosupraalimentare scade i eficiena lui. De asemenea, realizarea tehnologic a unor turbosuflante cu diametre foarte mici este limitat.

Fig.2.2 Caracteristicile de cuplu (Me) i putere (Pe) pentru un motor: cu aspiraie

natural (1); turbosupraalimentat (2) i turbosupraalimentat, cu rcire a aerului de

admisie prin intercooler (3)

6

Turbina cu geometrie variabil Pentru a elimina o parte din neajunsurile amintite anterior se utilizeaz turbine cu geometrie

variabil. Acest tip de agregat prezint un difuzor cu palete mobile cu ajutorul crora se modific direcia i seciunea de curgere a gazelor de evacuare n turbin n raport cu condiiile de funcionare a motorului. Paletele difuzorului sunt rotite sincron, astfel nct s asigure aceeai direcie de curgere a gazelor de evacuare pe toat circumferina rotorului turbinei. Deplasarea paletelor difuzorului este comandat de UEC care, cu ajutorul senzorilor din sistem, stabilete poziia optim a acestora pentru asigurarea unor performane superioare ale turbosuflantei la orice regim de sarcin i turaie a motorului.

n timpul funcionrii motorului la sarcini i turaii mici, paletele difuzorului sunt rotite astfel nct s se asigure o seciune de curgere mic pentru a putea crete viteza gazelor de evacuare la intrarea n turbin. Pentru a se putea controla turaia i presiunea de admisie (pa), odat cu creterea sarcinii sau a turaiei motorului, paletele difuzorului sunt rotite n sensul mririi seciunii strbtute de gazele arse, astfel c viteza lor la intrarea n turbin scade.

Utilizarea unei turbine cu geometrie variabil reduce timpul de rspuns la accelerare a turbosuflantei, iar creterea seciunii de curgere a gazelor de evacuare scade contrapresiunea din

sistemul de evacuare. Acest fapt duce la o mbuntire a umplerii cilindrilor cu amestec proaspt i deci la o cretere global a performanelor energetice ale motorului supraalimentat prin intermediul unei turbine cu geometrie variabil (2) fa de supraalimentarea cu turbin convenional (1), dup cum se poate vedea i n figura 2.7.

2.1.3.3. Supraalimentarea cu agregat cu unde de presiune de tip Comprex

Supraalimentarea prin intermediul compresorului cu unde de presiune (CUP) de tip Comprex reprezint un procedeu de supraalimentare performant ce elimin neajunsurile turbosupraalimentrii, deoarece presiunea aerului de admisie depinde n principal de presiunea gazelor de evacuare i nu de debitul acestora, astfel c se pot obine rapoarte de supraalimentare (pisa) ridicate chiar i la sarcini i turaii joase.

Fig.2.7 Variaia presiunii de admisie

Fig. 2.10 Agregat de supraalimentare de tip Comprex [77]: 1-fereastr de evacuare a gazelor arse; 2-supap de tip wastegate; 3-fereastr de admisie a gazelor arse; 4-celule rotor; 5-fereastr de

evacuare a aerului comprimat; 6-arbore rotor; 7-fereastr de admisie a aerului proaspt

7

Supraalimentarea cu unde de presiune se realizeaz cu un agregat numit Comprex (fig.2.10). Ca i n cazul turbosupraalimentrii, comprimarea aerului proaspt este realizat prin intermediul gazelor de evacuare. Antrenarea agregatului de tip Comprex este fcut de arborele cotit prin intermediul unei curele, ns lucrul mecanic de comprimare este realizat de gazele arse.

Agregatul de supraalimentare cu unde de presiune, de tip Comprex, poate realiza rapoarte de supraalimentare mari (pisa=2 ... 2,8) fiind o soluie ce prezint un mare potenial de dezvoltare n vederea obinerii unei performane ridicate a procesului de supraalimentare.

Performanele obinute de MAC-urile supraalimentate cu agregat de tip Comprex

Presiunea de supraalimentare a unui MAC obinut cu ajutorul unui Comprex este ridicat (fig.2.12); din aceast cauz se impune utilizarea unei supape de tip wastegate pentru a nu produce o suprasolicitare mecanic sau termic a mecanismului motor.

Comparativ cu agregatul de supraalimentare de tip turbosuflant, cel de tip Comprex prezint un rspuns la acceleraie mai bun, dup cum este reprezentat grafic n figura 2.13.

Solicitarea termic a Comprex-ului este redus deoarece acesta este rcit de ctre aerul proaspt admis n rotor.

Performanele energetice de putere ale unui motor supraalimentat cu agregat de tip Comprex sunt mai bune dect cele obinute n cazul unui motor turbosupraalimentat sau aspirat natural, dup cum se poate observa n figura 2.14.

Puterea consumat pentru a antrena un Comprex este foarte redus, deoarece lucrul mecanic de comprimare a amestecului proaspt este realizat de ctre gazele de evacuare. Transferul de cldur dintre gazele arse i aerul comprimat din rotor este foarte redus datorit timpului relativ sczut n care cele dou fluide se afl n contact. Din aceast cauz CUP-ul de tip Comprex are cel mai bun randament adiabatic.

n anul 1983, firma Brown Boveri Co. din Baden, Elveia, a realizat un studiu experimental amnunit n vederea echiprii unui autoturism de serie cu un CUP de tip Comprex. Au fost testate pe standul de ncercri, motoare supraalimentate cu Comprex antrenat prin curea de ctre arborele

Fig.2.12 Variaia raportului de supraalimentare n funcie de turaie pentru Comprex:

1-cu wastegate; 2-fr wastegate

Fig.2.13 Comparaie ntre rspunsurile la acceleraie pentru un Comprex (1) i o

turbosuflant (2)

Fig.2.14 Comparaie ntre caracteristicile de cuplu (Me) i putere (Pe) ale unui motor

supraalimentat cu: Comprex (3), turbosuflant (2) i aspirat natural (1)

8

cotit, urmrindu-se evoluia performanelor energetice de putere i economicitate, precum i a celor ecologice. n continuarea acestor teste s-au utilizat 27 de autoturisme ale cror motoare au fost modificate n vederea supraalimentrii cu agregatul de tip Comprex. Fiecare autoturism a strbtut n medie circa 25000 [km], iar intregul parc auto a realizat n total 680000 [km]. Autovehiculul ales era echipat cu un MAC cu camer de turbulen avnd o capacitate cilindric de 1,6 [dm3]. n varianta standard motorul era supraalimentat cu turbosuflant. [26] n vederea echiprii motorului cu agregat de tip Comprex, au fost operate modificri la sistemele de admisie i evacuare pentru reducerea rezistenelor gazodinamice i a zgomotelor de frecven nalt specifice acestui agregat. De asemenea, a fost mrit debitul de combustibil injectat pentru a corespunde debitului de aer crescut realizat de varianta supraalimentat cu agregat de tip Comprex. Presiunea de supraalimentare a fost limitat astfel nct n camera de turbulen presiunea maxim (pcil-max) s nu depeasc 130 [bar]. Pentru supraalimentarea cu agregat de tip Comprex a fost utilizat modelul CX-85. n figura 2.15 a.-f. sunt prezentate, o parte a rezultatelor testelor efectuate pe standul de ncercri. Acestea au fost prelevate n condiiile funcionrii motorului la sarcin total. S-au fcut urmtoarele notaii:

1 - motor supraalimentat cu turbosuflant (varianta standard); 2 - motor echipat cu agregat de tip Comprex i cu intercooler (varianta neoptimizat); 3 - motor supraalimentat cu agregat de tip Comprex (varianta neoptimizat); 4 - motor echipat cu agregat de tip Comprex i cu intercooler (varianta optimizat); 5 - motor supraalimentat cu agregat de tip Comprex (varianta optimizat).

n cazul variantei optimizate, debitul de combustibil injectat a fost mrit corespunztor cu creterea debitului de aer admis n motor.

b. c.

e. f. Fig.2.15 Parametrii funcionali urmrii n timpul studiului experimental pe standul de ncercri

9

Privind comparativ rezultatele testelor realizate pe standul de ncercri se poate trage concluzia c cea mai bun echipare este cea cu motorul echipat cu agregat de supraalimentare de tip Comprex i cu intercooler.

n final, putem spune c n pofida performanelor energetice ameliorate ce le prezint MAC-urile echipate cu agregatul de tip Comprex, acesta din urm deine, nc, un potenial ce nu a fost exploatat la maxim. Principalul dezavantaj al supraalimentrii cu agregat de tip Comprex l reprezint dificultatea acordrii acestuia cu condiiile de funcionare a motorului. Pentru optimizarea funcionrii Comprex-ului cu motorul pe ntreaga sa plaj de turaii i de sarcini, agregatul de supraalimentare necesit unele dispozitive auxiliare care s confere un control eficient asupra fenomenelor dinamice din rotor.

2.2. mbuntirea parametrilor energetici de economicitate 2.2.1. Principalii parametri energetici de economicitate

Criteriul principal de apreciere a eficienei economice a MAI-urilor, l constituie randamentul termic al ciclului, care este egal cu raportul dintre lucrul mecanic indicat (Li) i cldura eliberat prin arderea combustibilului n cilindru, n timpul unui ciclu.

Randamentul termic, se determin practic cu dificultate deoarece din cauza arderii incomplete, cldura eliberat prin ardere nu se evideniaz ntr-un mod simplu i direct. De aceea n practic se apreciaz eficiena economic a ciclului sau a proceselor termice de frecare la un loc, pe baza unei mrimi, distinct de i i e , care se calculeaz direct din mrimile determinate pe standul de ncercri (consumul orar de combustibil, turaia, momentul motor i puterea). Aceast mrime este consumul specific de combustibil:

Consumul specific indicat: ici PCconstc /. = (2.19)

Consumul specific efectiv: ece PCconstc /. = (2.20)

2.2.2. Influene asupra performanelor energetice de economicitate

Din cele prezentate mai sus observm c indicele cel mai utilizat n practic, de apreciere a eficienei economice la un MAI este consumul specific de combustibil; acesta depinde ntr-o mare msur, chiar hotrtoare, de procesul de ardere.

Aadar, pentru a mbunti economicitatea unui MAI, trebuie s se micoreze consumul specific de combustibil, acest lucru fcndu-se prin mrirea gradului de perfeciune a procesului de ardere.

n figura 2.16 s-au sistematizat etapele parcurse pentru formarea i arderea amestecului ntr-un MAC [14], evideniindu-se influenele: geometriei traiectului de admisie, ale sistemului de injecie care determin caracteristicile jetului, ale modului de propagare a flcrii i ale diverselor procedee (RGA, supraalimentarea i rcirea aerului de admisie) care i pun amprenta att asupra performanelor energetice ct i asupra emisiilor poluante chimice.

10

AER MOTORIN Recircularea

gazelor arse Supraalimentarea Caracteristicile Rcirea motorinei

TIPUL SUPAPEI TIPUL SISTEMULUI DE ADMISIE DE INJECIE

Caracteristicile Forma legii de injecie micrii aerului:

Swirl CONSTRUCIA Squash CAMEREI DE ARDERE Turbulena

Caracteristicile jetului de combustil

AMESTECUL MOTORIN-AER Durata perioadei de ntrziere la autoaprindere

APRINDEREA

Dezvoltarea zonelor de autoaprindere Propagarea frontului de flacr

Arderea masei de ARDEREA baz a amestecului

Post-arderea cu ardere n destindere Difuzia produselor de ardere

RATA DE Pierderea de cldur DEGAJARE

A CLDURII

EMISIILE POLUANTE CHIMICE

Fig.2.16 Schema desfurrii proceselor din MAC

11

2.2.3. Principalele ci de mbuntire a parametrilor energetici de economicitate

Din multitudinea de factori evideniai n figura 2.16, care au influen hotrtoare asupra funcionrii MAC-ului cu consumuri energetice mici, s-au analizat n esen doar civa, pe care i socotim importani n desfurarea tezei: supraalimentarea, formarea amestecului prin injecie i procesul de injecie corelat cu aspectele de economicitate. Concluzile acestei analize se regsesc n cadrul paragrafului 2.4.

2.3. mbuntirea parametrilor ecologici ai motoarelor cu aprindere prin comprimare

Sursa principal de poluare provenit de la autovehicule o constituie combustibilul, cu o pondere de peste 96 [%]. Acesta este considerat a fi un poluant activ datorit faptului c n toate strile de transformare pe care le sufer n cursul reaciilor chimice care au loc n scopul obinerii energiei mecanice, acesta eman n atmosfer substane nocive.[13] Mecanismele prin care carburanii autovehiculelor realizeaz contaminarea mediului sunt determinate de dou fenomene chimice principale: evaporarea combustibilului nears i eaparea gazelor arse n atmosfer (85 %).

Principalele emisii poluante ale MAC-urilor sunt emisiile de: NOx, HC, PM i fum; formarea acestora este influenat n mod direct de gradul de perfeciune a formrii i arderii amestecului din cilindrii motorului.

innd cont de particularitile de formare a principalelor emisii poluante din gazele de evacuare provenite de la MAC-uri, s-au analizat cele mai importante metode de reducere la genez a acestor emisii poluante, ce vizeaz ndeosebi desvrirea proceselor de formare i de ardere a amestecului aer-combustibil: procesul de supraalimentare, rcirea aerului de admisie, recircularea gazelor de evacuare, modularea legii de injecie, combustia amestecurilor omogene, injecia de ap n camera de ardere, utilizarea combustibilului biodiesel. Concluzile acestei analize se regsesc n cadrul paragrafului 2.4.

2.4. Concluzii

n cadrul acestui capitol s-a evideniat o mare parte dintre cele mai importante direcii de cercetare care trebuie urmate pentru a se obine mbuntirea performanelor MAC-urilor.

Pentru a se identifica direcia de cercetare, care pe de-o parte s prezinte o influen important asupra tuturor parametrilor energetici i ecologici ai MAC-urilor, iar pe de alt parte s ofere un potenial care s nu fie nc exploatat la maxim, n continuare se vor sintetiza cile, tratate n cadrul acestui capitol, ce trebuie urmate pentru a se obine un MAC cu performane energetice i ecologice ridicate:

prin procesul de supraalimentare se mbuntesc att parametrii energetici de putere i economicitate ct i cei ecologici; prin optimizarea legii de injecie i mbuntirea caracteristicilor jetului de combustibil se amelioreaz ndeosebi performanele energetice de economicitate i cele ecologice; recircularea gazelor de ardere, rcirea aerului de supraalimentare, combustia amestecurilor omogene-HCCI la sarcini pariale, injecia de ap n camera de ardere i utilizarea biodiselului sunt n principal procedee de diminuare a emisiilor poluante chimice provenite de la MAC-uri.

Majoritatea metodelor de mbuntire a parametrilor energetici i ecologici, amintite anterior, au efecte contrare asupra aceluiai parametru. Datorit acestui fapt intensitatea aplicrii lor este condiionat de obinerea, pe ct posibil, a unor valori optime pentru toi parametrii energetici i ecologici ai MAC-urilor, n acest mod realizndu-se un compromis ntre puterea efectiv, consumul specific i nivelul de emisii poluante chimice.

12

n tabelul 2.1 s-au sintetizat, fr pretenia de a fi o prezentare exhaustiv, influenele fiecrei metode asupra principalilor parametri energetici i ecologici ai MAC-urilor.

Sinteza referitoare la msurile de mbuntire a parametrilor energetici i ecologici ai MAC-urilor

Tabelul 2.1 Parametrii energetici Parametrii ecologici Parametrii influenai

Metode de mbuntire Puterea efectiv

Consumul specific NOx HC PM fum

Supraalimentarea + + - + + + Supraalimentarea + rcire intermediar + + + + + + Recircularea gazelor arse (RGA) - - + - - - Supraalimentarea + RGA + + + + + + Camera de ardere unitar (ID) + + - - - - Camera de ardere divizat (IID) - - + + + + Optimizarea legii de injecie + + + + + + mbuntirea caracteristicilor jetului de combustibil + + + + + +

HCCI la sarcini pariale + + + - + + Injecia de ap n camera de ardere - - + - + + Utilizarea biodieselui - - - + + +

Legend: - duntor; + eficient.

Analiznd aceast sintez putem vedea cu uurin c procesul de supraalimentare i cel de injecie a combustibilului reprezint dou ci de mbuntire ce dein o influen pozitiv global asupra performanelor MAC-urilor. n plus, aplicarea lor elimin o serie de efecte nedorite ale altor metode, a cror aplicabilitate aduc avantaje demne de luate n seam doar anumitor parametri de performan.

innd cont de aceste considerente putem afirma faptul c sistemele de supraalimentare i cele de injecie trebuie s se dezvolte n paralel pentru ca s asigure n continuare o mbuntire permanent a performanelor energetice i ecologice ale noilor generaii de MAC-uri.

Considerm c, aa cum mrirea gradului de flexibilitate a sistemului de injecie, prin modularea injeciei, a adus serioase beneficii energetice i ecologice, i o mrire a gradului de flexibilitate a procesului de supraalimentare, prin variaia continu a coeficientului de umplere n funcie de regimurile de funcionare a motorului din timpul exploatrii va conduce, n continuare, la o mbuntire a parametrilor energetici i ecologici ai MAC-urilor.

O modalitate accesibil ce prezint interes, de mrire a gradului de flexibilitate a procesului de supraalimentare printr-o variaie continu a coeficientului de umplere n vederea obinerii unei valori adecvate a acestuia pentru orice punct de funcionare de pe cartograma MAC-ului, este supraalimentarea prin intermediului CUP-ului de tip Comprex. Aceast metod performant de supraalimentare, pe lng faptul c se preteaz la aceast tendin de mrire a gradului de flexibilizare a procesului de supraalimentare, elimin neajunsurile turbosupraalimentrii (n prezent, cel mai utilizat procedeu de supraalimentare), aducnd mbuntiri nsemnate att parametrilor energetici de putere i economicitate ct i a celor ecologici. Optimizarea funcionrii comune a MAC-ului, pe ntreaga plaj de turaie i sarcin, cu agregatul de supraalimentare de tip Comprex va aduce performane deosebite acestei metode de mrire a presiunii aerului admis n cilindrii motorului, din punct de vedere al creterii gradului de eficientizare a procesului de supraalimentare, ceea ce va conduce implicit la ameliorarea performanelor energetice i ecologice ale motorului supraalimentat.

13

3. CONSIDERAII PRIVIND PROCESUL DE SUPRAALIMENTARE A MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE CU AGREGATUL

DE TIP COMPREX

3.1. Constructia agregatului de supraalimentare de tip Comprex 3.1.1. Scurt istoric al Comprex-ului

Cea mai mare contribuie la dezvoltarea CUP-ului a avut-o compania elveian Brown Boveri Co. Aceasta a continuat optimizarea i producia agregatului cu unde de presiune sub numele de Comprex pn la sfritul anilor 1980. Astfel, n 1971 sunt testate primele camioane dotate cu motoare supraalimentate cu agregat de tip Comprex, iar n 1978 se fac primele ncercri pentru autoturisme. Ca urmare a acestor activiti, n anul 1985 firma Opel introduce pe pia modelul Senator 2.3 DC, acesta fiind primul autoturism de serie echipat cu agregat de tip Comprex, iar ulterior modelul Rekord.

ncepnd cu anul 1987 firma Mazda ncepe s fie interesat de echiparea cu agregat de tip Comprex a motoarelor modelului 626 Cappela. Rezultatele obinute n urma testelor sunt ncurajatoare, astfel c n 1990 este nfiinat compania Comprex G.m.b.H. n Austria care va produce CUP-uri (fig.3.1) pentru modelul Mazda 626 2.0 D RF-CX. Acest autoturism a fost fabricat ntre anii 1993 - 1997 ntr-un numr de 150000 de exemplare, fiind prima utilizare pe scar larg a Comprex-ului.

ncercri n domeniul supraalimentrii MAC-urilor cu agregat de tip Comprex au mai fost fcute i de firmele Mercedes-Benz, Volvo i Peugeot, iar n ultimul deceniu firma Caterpillar a realizat un buldozer de mare putere care este echipat cu un motor supraalimentat cu agregat de tip Comprex.

Fig.3.1 Agregat de supraalimentare cu unde de presiune de tip Comprex [86]

14

3.1.2. Principalele componente ale Comprex-ului

Principalele componente ale Comprex-ului (fig.3.2) sunt: rotorul, carcasa rotorului i statorul n care se afl cele 4 ferestre, i anume: fereastra de admisie a gazelor arse (FAG), fereastra de evacuare a gazelor arse (FEG), fereastra de admisie a aerului comprimat (FAA) i fereastra de evacuare a aerului comprimat (FEA).

3.1.2.1. Rotorul

Principalul element al CUP-ului de tip Comprex este rotorul (fig.3.3); aici se realizeaz att comprimarea ct i expansiunea fluidului de lucru. Acesta prezint pe circumferina sa 70 de canale axiale grupate pe dou rnduri. Primul rnd de canale este defazat fa de cel de-al doilea pentru a reduce zgomotul specific CUP-urilor, n special frecvenele nalte produse de acestea. Totodat, numrul mare de canale asigur o arie mrit care faciliteaz o bun continuitate a debitului fluidelor de lucru. Rotorul este realizat dintr-un aliaj de nichel, prin turnare de precizie. Acest aliaj are un coeficient de dilatare redus, o bun rezisten mecanic i proprieti anticorozive.

Fig.3.2 Agregat de supraalimentare cu unde de presiune de tip Comprex [26]: 1-arbore; 2-fulie de antrenare; 3-FEA; 4-celule rotor; 5-carcas rotor; 6-FAG; 7-supap de tip

wastegate; 8-FEG; 9-actuator wastegate; 10-FAA

a. b. Fig.3.3 Rotorul Comprex-ului: a-vedere lateral; b-vedere frontal

15

3.1.2.2. Carcasa rotorului

Carcasa rotorului (fig.3.4) este realizat din acelai material cu rotorul pentru a se menine constant jocul dintre rotor, carcas i stator n cazul dilatrilor termice.

3.1.2.3. Statorul

Statorul CUP-ului are dou pri: una rece (fig.3.5) care conine dou ferestre de admisie i dou de evacuare a aerului, precum i o parte cald (fig.3.6), n care se afl dou ferestre de admise i dou de evacuare a gazelor arse. Astfel, la o rotaie a rotorului se realizeaz dou cicluri complete. Aceast configuraie constructiv a fost adoptat pentru ca solicitrile termice s fie distribuite simetric i pentru a se obine o reducere a dimensiunilor geometrice i a turaiei necesare CUP-ului. Statorul nu se afl n contact cu rotorul iar distana dintre acestea trebuie s fie ct mai mic pentru ca pierderile de presiune s fie minime.

Partea cald a statorului este realizat din font maleabil care rezist foarte bine la temperaturile ridicate ale gazelor de evacuare (850C), iar partea rece din aliaj de aluminiu. Ambele pri sunt realizate prin procedeul de turnare n forme. O atenie deosebit trebuie acordat prelucrrilor mecanice efectuate la partea rece a statorului, deoarece aici sunt montate i cele dou lagre ale arborelui de antrenare a Comprex-ului. La variantele pentru autoturisme se utilizeaz rulmeni cu bile capsulai, iar la variantele pentru camioane sau tractoare se folosesc lagre de alunecare de tip buc unse cu ulei de la motor. Conductele din stator sunt orientate n aa fel nct s dea un moment pozitiv rotorului, reducnd astfel puterea consumat pentru antrenarea acestuia.

Procesele de comprimare/expansiune sunt controlate cu ajutorul unor buzunare executate n peretele statorului. n partea rece a statorului sunt amplasate dou buzunare: buzunarul de comprimare (BC) i buzunarul de expansiune (BE) (fig.3.5), iar n partea cald se afl buzunarul de gaze arse (BG) (fig.3.6). Rolul i modul de funcionare a acestor buzunare vor fi explicate n detaliu n cadrul paragrafului 3.2.2.

Fig.3.4 Carcasa rotorului

Fig.3.5 Partea rece a statorului: 1-intrare aer proaspt; 2-evacuare aer comprimat;

3-FAA; 4-FEA; 5-BE; 6-BC

Fig.3.6 Partea cald a statorului: 1-intrare gaze de evacuare; 2-FEG; 3-FAG; 4-BG

16

Fig.3.9 Dispozitivul pentru pornire, amplasat n colectorul de admisie al motorului:

1-aer comprimat evacuat din rotor; 2-clapet de obturare; 3-supap de by-pass a aerului admis;

4-aer proaspt aspirat natural

Fig.3.11 Actuatorul pneumatic ce acioneaz supapa wastegate

3.1.2.4. Arborele de antrenare

Arborele de antrenare (fig.3.8), nefiind supus la solicitri majore este realizat din oel.

3.1.2.5. Dispozitivul de pornire

Deoarece n timpul pornirii motorului sau la funcionarea acestuia la mers n gol, gazele arse nu au presiunea necesar pentru a realiza un proces de comprimare a aerului eficient, ceea ce

implic un procent mare de gaze recirculate n aerul admis de motor, este necesar utilizarea unui dispozitiv pentru pornire amplasat n colectorul de admisie al motorului, prezentat n figura 3.9. Cnd presiunea gazelor de evacuare este prea mic, clapeta obturatoare 2 se nchide, blocnd astfel ptrunderea acestora n motor. Concomitent cu nchiderea clapetei, supapa de by-pass 3 se deschide, iar n motor este admis aer proaspt la presiune atmosferic. Dispozitivul de pornire poate fi utilizat i pentru controlul cantitii de gaze arse recirculate n motor. Astfel, obturarea parial a conductei de admisie a aerului comprimat la sarcini i turaii ridicate duce la creterea procentului de gaze arse recirculate.

3.1.2.6. Supapa de tip wastegate

Aceasta este folosit la reglarea presiunii de supraalimentare (pa), rolul ei i modul de funcionare fiind asemntor cu cel existent la turbosuflant. Folosirea acestei supape mpreun cu dispozitivul pentru pornire duce la reducerea contrapresiunii din sistemul de evacuare n condiiile de pornire i mers n gol al motorului. Supapa de tip wastegate (fig.3.10) se afl n partea cald a statorului, fiind acionat cu ajutorul unui actuator pneumatic (fig.3.11).

Fig.3.7 Fulia Comprex-ului

Fig.3.8 Arborele de antrenare a Comprex-ului: 1-zona de montare a fuliei (fig.3.7); 2-zona de montare a celor doi rulmeni

de sprijin; 3-zona de fixare a rotorului

Fig.3.10 Supapa de tip wastegate

17

3.1.3. Modele ale Comprex-ului

Modelul de serie al CUP-ului de tip Comprex a fost realizat n opt variante care pot deservi MAC-urile cu cilindree cuprins ntre 0,5 i 3,5 [dm3]. Spre deosebire de turbosuflant, modificarea dimensiunilor geometrice ale Comprex-ului nu determin influene dramatice asupra performanelor agregatului de supraalimentare. n tabelul 3.2 se prezint specificaiile tehnice ale modelelor de Comprex.

Dimensiunile modelelor Comprex-ului Tabelul 3.2

n afar de aceste modele mai exist variantele speciale CX-65 i CX-125. Primul model dintre acestea este folosit la supraalimentarea MAC-urilor cu cilindreea cuprins ntre 0,5-0,8 [dm3], n timp ce modelul CX-125 este utilizat n special pentru motoarele mainilor agricole care au o capacitate cilindric cuprins ntre 3-3,5 [dm3]. Acesta de pe urm este singurul care are lagre de tip buc, ungerea fiind fcut cu ulei de la motor.

3.2. Funcionarea agregatului de supraalimentare de tip Comprex

Funcionarea compresorului cu unde de presiune de tip Comprex (fig.3.14) se datoreaz fenomenelor care au loc la punerea n contact direct a dou fluide cu presiuni diferite (gazele de evacuare i aerul de admisie). Egalizarea presiunilor celor dou fluide are loc ntr-un timp mai scurt dect amestecul acestora. Deoarece procesele gazodinamice care au loc n interiorul rotorului i a buzunarelor sunt relativ complexe, pentru o bun nelegere a acestora, n continuare se vor prezenta n detaliu aceste procese.

Puterea efectiv a MAI-ului supraalimentat Turaie L D1 D2 D3 D4 D5 Greutate Model de Comprex [kW] [rot/min] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [kg]

CX-71 25 40 23900 274 49 36 39 50 113 4,9 CX-78 30 48 21800 303 55 36 43 56 118 5,4 CX-85 35 57 20000 310 62 36 47 61 126 6,2 CX-93 40 70 18300 335 64 46 52 67 129 7,2 CX-102 50 83 16700 364 72 46 57 73 143 8,4 CX-112 60 100 15200 396 80 46 62 80 150 11,6

Fig.3.13 Tipodimensiuni pentru modele de Comprex (tabelul 3.2): 1-admise aer proaspt; 2-evacuare aer comprimat; 3-admisie gaze arse; 4-evacuare gaze arse

Fig.3.14 Antrenarea i funcionarea Comprex-ului [85]

18

3.2.1. Evoluia proceselor gazodinamice care au loc ntr-un canal al rotorului pe durata unui ciclu

La nceputul ciclului, n canalul considerat (fig.3.15), se afl aer n repaus la po. De asemenea, ambele capete ale canalului sunt nchise de ctre pereii statorului. Prin micarea rotorului, canalul este aliniat cu FAG n care gazele de evacuare au o presiune mai mare dect a aerului din canal. Datorit acestei diferene de presiune ia natere unda de comprimare 1 care traverseaz canalul cu viteza sunetului i comprim aerul. n zona prin care trece frontul de und, presiunea crete iar fluidul ncepe s se deplaseze. Aerul comprimat va ocupa un volum mai mic, locul su fiind luat de gazele de evacuare care intr n canal. n spatele undei, aerul va avea aceeai vitez i presiune ca i cea a gazelor arse. Interfaa dintre aer i gazele de evacuare se deplaseaz n spatele frontului de und i are o vitez mult mai redus dect acesta. [26]

Notaiile din figura 3.15-3.18 reprezint: aer proaspt; gaze de evacuare;

und de comprimare; und de expansiune; poziia interfeei dintre aer i gazele de evacuare.

Optimizarea CUP-ului trebuie s fie fcut n aa fel nct unda 1 s ajung n captul rece al rotorului n momentul deschiderii FEA. n aceste condiii unda 1 se va reflecta de peretele statorului ca und de comprimare 2. Aceast nou und va traversa rotorul din partea rece n partea cald comprimnd a doua oar aerul din canal. Datorit acestui fapt, aerul comprimat care iese din rotor va avea o presiune mai mare dect gazele arse care intr n el. Unda 2 trebuie s ajung n captul cald al rotorului dup nchiderea FAG pentru a nu provoca o cretere a contrapresiunii n sistemul de evacuare al motorului. nchiderea brusc a FAG d natere undei de expansiune 3 care traverseaz rotorul din partea cald spre partea rece.

Aceast und va trebui s ajung n captul rece al canalului dup nchiderea FEA pentru a evita curgerea invers a aerului din colectorul de admisie al motorului spre Comprex.

n momentul nchiderii FEA, procesul de comprimare se consider ncheiat. Se poate observa c interfaa aer/gaze de evacuare nu ajunge la captul rece al rotorului. n canalul luat n considerare se gsesc acum gaze arse i o parte din aerul care nu a apucat s ias din rotor. Acest amestec se afl n repaus i are o presiune mai mare dect cea atmosferic.

n continuare, prin deplasarea rotorului, canalul se va alinia cu FEG. Diferena de presiune dintre gazele din rotor i mediul ambiant va produce unda de expansiune 4, care va traversa canalul cu viteza sunetului din partea cald spre partea rece a rotorului. Aceast und va declana evacuarea gazelor arse rmase n canal. Totodat, unda 4 va trebui s ajung n captul rece al rotorului n momentul deschiderii FAA. Aici ea se va reflecta de peretele statorului ca und de expansiune 5 i va iniia admisia aerului proaspt n canal. n lipsa pierderilor gazodinamice, procesele de admisie aer/evacuare gaze arse ar putea continua la nesfrit, ns n realitate acestea se opresc dup o anumit perioad sau chiar se inverseaz. Pentru ca rotorul s fie golit de gazele arse ct mai eficient, FEG rmne deschis mai mult timp dect este necesar, astfel c o parte a aerului

Fig. 3.15 Principiul de funcionare a CUP-ului de tip Comprex

19

admis iese direct n sistemul de evacuare. De asemenea, FAA este nchis naintea FEG, producndu-se astfel o uoar depresiune n canal. Datorit acesteia, diferena de presiune dintre aer i gazele arse de la nceputul ciclului va fi mai mare, rezultnd un proces de comprimare mai eficient.

Modul de lucru al CUP-ului descris anterior a fost simplificat, prezentndu-se doar cazul de funcionare n condiii ideale. n realitate fenomenele sunt mult mai complexe i mai greu de controlat. Procesele ce au loc n CUP sunt strns legate de viteza undelor de comprimare/expansiune, care depinde de temperatura mediului de propagare. De la un ciclu la altul aceast temperatur nu variaz foarte mult, astfel c turaia de antrenare a rotorului este cvasi constant. Cercetrile experimentale au artat totui c turaia rotorului poate varia cu 10 [%] fa de turaia optim cu pierderi minime n ceea ce privete performanele agregatului. Datorit complexitii i sensibilitii proceselor care au loc pe parcursul unui ciclu, turaia CUP-ului, dimensiunile geometrice ale acestuia i poziia ferestrelor din stator trebuie bine stabilite, astfel nct s se poat obine de la acest agregat de supraalimentare o performan ct mai ridicat.

3.2.2. Rolul i modul de funcionare a buzunarelor Comprex-ului

Plaja de turaie pentru care Comprex-ul funcioneaz n condiii optime este foarte restrns. Pentru a mri aceast plaj au fost realizate trei buzunare n peretele statorului (fig.3.5 i 3.6): buzunarul de comprimare (BC) i cel de expansiune (BE), care se afl n partea rece a statorului, precum i buzunarul de gaze de evacuare (BG) aflat n partea cald a acestuia.

Procesele gazodinamice care au loc n interiorul rotorului i a buzunarelor sunt relativ complexe. Pentru o mai bun nelegere a acestora se iau n considerare trei cazuri: 1. funcionarea motorului la sarcin total i turaie medie; 2. funcionarea motorului la sarcin total i turaie joas; 3. funcionarea motorului la sarcin mic i turaie ridicat.

3.2.2.1. Funcionarea motorului supraalimentat la sarcin total i turaie medie

n general Comprex-ul este proiectat astfel nct la funcionarea motorului la sarcin total i turaie medie procesele de comprimare/expansiune care au loc n CUP s fie ct mai apropiate de cele ideale. n acest caz buzunarele sunt inactive, adic fluidul de lucru din interiorul lor este n stare de repaus. Acest fapt se datoreaz presiunii constante din canalele care se gsesc n dreptul acestor buzunare. Dup cum se poate observa n figura 3.16, o parte a aerului admis este evacuat odat cu gazele arse, iar pe lng aerul proaspt admis n rotor exist i aer care a rmas de la ciclul anterior. Acest aer contaminat nu trebuie s ptrund n admisia motorului, deoarece contactul direct cu gazele arse ar duce la creterea temperaturii i scderea densitii acestuia, fapt ce influeneaz n mod negativ coeficientul de umplere a motorului. Pentru acest caz, valorile presiunii de admisie a unui MAC sunt de aproximativ 2 [bar].

Fig. 3.16 Modul de funcionare a Comprex-ului la sarcin total i turaie medie

20

3.2.2.2. Funcionarea motorului supraalimentat la sarcin total i turaie joas

Datorit turaiei reduse, unda primar de oc ajunge n partea rece a rotorului cu mult nainte de deschiderea FEA. Totui aceast und comprim aerul din BC, forndu-l s intre n canalele care trec prin dreptul acestui buzunar, (fig.3.17). Cnd aceste canale se vor alinia cu FAG, aerul precomprimat va bloca iniial ptrunderea gazelor n rotor, realiznd astfel acelai efect ca n cazul unei ferestre cu deschidere variabil.

n zona de joas presiune, unda de expansiune produs de nchiderea FAG va determina o depresurizare a BE, fapt care va ajuta la o mai bun evacuare a gazelor de evacuare din rotor.

3.2.2.3. Funcionarea motorului supraalimentat la sarcin mic i turaie ridicat

Acest caz corespunde situaiei de mers n gol la turaie ridicat a motorului. Presiunea gazelor arse este sczut, astfel c unda primar este slab ca intensitate.

Datorit turaiei mari, aceast und ajunge n partea rece a rotorului dup ce FEA s-a deschis, (fig.3.18). Debitul mare de aer aspirat de motor determin o vitez mare de ieire i o presiune sczut a aerului (sub-atmosferic). O parte din aerul comprimat de unda primar ptrunde n BE i apoi intr din nou n rotor. Din cauza energiei reduse a gazelor de evacuare, procesul de golire a canalelor este ineficient, astfel c o parte din acestea rmn n rotor, iar la ciclul urmtor ptrund n admisia motorului. Acest fenomen scade ca intensitate prin reducerea turaiei, n special datorit aciunii BE i BG, ns nu complet. Creterea cantitii de gaze de evacuare recirculate n condiiile funcionrii motorului la sarcini mici este o caracteristic nedorit a agregatului cu unde de presiune de tip Comprex.

Pentru evitarea acestui fenomen este necesar utilizarea unui dispozitiv pentru pornire i mers n gol precum cel prezentat n figura 3.9. Din cele exspuse mai sus se pot trage urmtoarele concluzii: BC regleaz reflexia undei primare de oc, n special n condiiile funcionrii motorului la turaii joase; BE i BG, ajut la golirea ct mai eficient a rotorului de gaze arse pe ntreaga plaj de turaie a motorului. Buzunarele din stator ndeplinesc rolul unor acumulatoare de presiune cu ajutorul crora se regleaz procesele de comprimare/expansiune n condiiile n care turaia agregatului de tip Comprex este defazat fa de cea optim.

Fig.3.18 Modul de funcionare a Comprex-ului la sarcin mic i turaie ridicat

Fig.3.17 Modul de funcionare a Comprex-ului la sarcin total i turaie joas

21

3.3. Puterea consumat pentru antrenarea Comprex-ului

Comprex-ul este antrenat cu ajutorul unei curele, cu o turaie proporional cu cea a arborelui cotit. Puterea consumat pentru antrenare este cuprins, aproximativ, ntre 100 i 300 [W] (n funcie de mrimea CUP-ului), i reprezint puterea cunsumat datorit frecrilor din lagre i a turbulenelor din rotor, precum i pentru propulsia rotorului.

Analiznd bilanul de puteri din figura 3.19 se poate observa c cea mai mare parte din puterea CUP-ului de tip Comprex este folosit pentru propulsia rotorului i pentru nvingerea rezistenelor gazodinamice datorate turbulenelor. Aceste rezistene nu pot fi reduse foarte mult, dar prin scderea masei rotorului se poate micora puterea necesar antrenrii Comprex-ului.

3.5. Concluzii privind supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare cu agregatul de tip Comprex

Supraalimentarea cu un Comprex se dovedete a fi o metod ce confer o ameliorare a performanei procesului de supraalimentare i implicit a performanelor energetice i ecologice ale motorului supraalimentat. Datorit principiului de funcionare a agregatului de supraalimentare de tip Comprex, soluia de supraalimentare cu acest tip de agregat elimin neajunsurile turbosupraalimentrii (cel mai raspndit procedeu de supraalimentare din zilele noastre) cum ar fi eficiena sczut la sarcini i turaii joase datorit debitului de gaze arse sczut, precum i rspunsul ntrziat la o cretere brusc de sarcin datorit ineriei rotoarelor turbosuflantei.

n plus, procedeul de supraalimentare cu agregatul de tip Comprex prezint, n comparaie cu cel cu turbosuflant, serioase rezerve de mbuntire a performanelor procesului de supraalimentare, prin optimizarea funcionrii comune a agregatului de supraalimentare cu MAC-ul pe ntreaga plaj de turaii i sarcini.

Aadar, n acest context, se caut soluii de mbuntire a performanelor energetice i ecologice ale MAC-urilor, printr-o flexibilitate ct mai mare a procesului de supraalimentare, dorindu-se astfel obinerea unei variaii continue a coeficientului de umplere sau altfel spus obinerea unei adaptabiliti a coeficientului de umplere la fiecare regim de funcionare a motorului.

innd cont de toate aceste considerente soluia adoptat este aceea de a antrena CUP-ul de tip Comprex, cu o turaie variabil independent de motor, prin intermediul unui motor electric, ceea ce ofer o flexibilitate i un control foarte bun asupra turaiei agregatului de supraalimentare la fiecare regim de functionare a motorului. Aceast soluie se preteaz i datorit faptului c agregatul de supraalimentare de tip Comprex necesit o putere de antrenare sczut (100-300 W), n condiiile n care lucrul mecanic de comprimare a aerului aspirat este efectuat de ctre gazele arse, rotorul compresorului avnd doar rolul de distribuie a gazelor.

La alegerea soluiei de optimizare a funcionrii comune a motorului cu agregatul de supraalimentare de tip Comprex, s-a inut cont ca aceasta s aduc pe de-o parte performane ct mai ridicate ale procesului de supraalimentare, iar pe de alt parte s prezinte costuri de realizare mici i complexitate acceptabil.

Fig.3.19 Bilanul de putere la antrenarea Comprex-ului: 1-puterea consumat datorit frecrilor din lagre; 2-puterea

consumat datorit turbulenelor din rotor; 3-puterea consumat pentru propulsia rotorului

22

4. ANALIZA N MEDIU VIRTUAL A PROCESELOR DESFURATE N CANALELE AGREGATULUI DE SUPRAALIMENTARE

DE TIP COMPREX CX-93

4.1. Consideraii generale

O parte din latura teoretic a prezentei lucrrii o constituie analiza n mediu virtual a proceselor ce se petrec n canalele celulare ale CUP-ului de tip Comprex CX-93, umrindu-se n principal evoluia parametrilor ce determin succesul procesului de supraalimentare. Dup cum s-a vzut n paragraful 3.2.1., CUP-ul de tip Comprex prezint o eficien maxim atunci cnd este antrenat cu o turaie care s faciliteze realizarea proceselor din timpul funcionrii agregatului de supraalimentare, cu urmtoarele particulariti:

unda primar ajunge la captul rece al rotorului n momentul deschiderii FEA. n aceste condiii unda primar se va reflecta de peretele statorului ca und de comprimare secundar. Aceast nou und va traversa rotorul din partea rece n partea cald comprimnd a doua oar aerul din canal. Datorit acestui fapt, aerul comprimat care iese din rotor va avea o presiune mai mare dect gazele arse care intr n el;

unda secundar ajunge n captul cald al rotorului dup nchiderea FAG pentru a nu provoca o cretere a contrapresiunii n evacuarea motorului;

nchiderea brusc a FAG d natere undei de expansiune care traverseaz rotorul din partea cald spre partea rece. Aceast und trebuie s ajung n captul rece al canalului dup nchiderea FEA pentru a evita curgerea invers a aerului din colectorul de admisie al motorului spre Comprex. Realizarea proceselor din celulele rotorului CUP-ului de tip Comprex care nu prezint caracteristicile prezentate anterior implic o diminuare a eficienei agregatului de supralimentare i implicit, prin prisma calitii procesului de supraalimentare, a performanelor energetice i ecologice ale motorului supraalimentat. O influen decisiv asupra turaiei CUP-ului de tip Comprex, sau mai precis asupra timpului de parcurgere a rotorului de ctre undele de presiune, o au valorile presiunii i temperaturii gazelor arse evacuate de motor [41], cu efecte directe asupra mrimii presiunii i temperaturii aerului supraalimentat admis de motor. Datorit acestor considerente menionate anterior s-a adaptat, n vederea identificrii turaiei optime care s-i confere Comprex-ului CX-93 performane ameliorate, un model de analiz n mediu virtual [27] care s simuleze deplasarea undelor de presiune i temperatur ntr-un canal al rotorului CUP-ului de tip Comprex CX-93, n timpul unui ciclu de funcionare realizat n condiii ideale (trenul de unde ajunge exact la momentul adecvat la porile ferestrelor din statoare).

4.2. Modelul geometric al simulrii

Dimensiunile modelului geometric al simulrii ciclului ideal de funcionare a Comprex-ului CX-93 sunt prezentate n figurile 4.1 a.-c., unde s-au precizat urmtoarele:

diametrele de interes ale rotorului; deschiderile ferestrelor din statoare; distanele dintre ferestre; distanele dintre ferestrele statoarelor i linia de referin (de unde se consider c ncepe un

nou ciclu funcional al compresorului); unghiul de inclinare a ferestrelor; profilul celulelor rotorului.

23

n figurile 4.1 a. i b. s-au fcut urmtoarele notaii: FAG reprezint fereastra de admisie a gazelor arse; FAA fereastra de admisie a aerului comprimat; FEG fereastra de evacuare a gazelor arse; FEA fereastra de evacuare a aerului comprimat.

innd cont de faptul c rotorul este compus din 70 de canale dispuse pe dou rnduri cu nlimea de 5 [mm] fiecare, n timpul simulrii s-a considerat c rotorul este compus din 35 de canale cu nlimea de 10 [mm] i limea medie egal cu 6,35 [mm]; profilul acestora este prezentat n figura 4.1 c.

4.3. Modelul matematic al simulrii

Simularea s-a realizat utiliznd ecuaiile Hugoniot-Rankine i ecuaiile difereniale ale binecunoscutei metode a volumelor finite. Aplicarea acestor ecuaii a necesitat nlocuirea modelului geometric cu un set de volume finite (volume de control) care aproximeaz geometric domeniul studiat.

Dinamica undei primare de oc, ce parcurge un canal al rotorului Comprex-ului, poate fi exprimat cu ajutorul ecuaiilor Hugoniot-Rankine, valabile pentru o und de oc unidimensional care se propag ntr-un tub adiabatic ngust (fig.4.2).

Fig.4.1 a. Modelul geometric al simulrii seciune transversal

Fig.4.1 b. Modelul geometric al simulrii seciune longitudinal

Fig.4.2 Unda de oc unidimensional: a. - unda de oc ntr-un tub adiabatic ngust;

b. - unda de oc staionar n volumul de control

Fig. 4.1 c. Modelul geometric al celulelor rotorului

seciune transversal

24

4.4. Rezultatele simulrii

Evoluia undelor de presiune, din cadrul unui ciclu funcional ideal, ce parcurg canalul rotorului CUP-ului de tip Comprex CX-93, s-a simulat prin intermediul softului programului comercial Fluent 6.0 - modelul CFD (2D laminar, dinamic -sliding mesh- i transient). n cadrul acestor simulri s-a urmrit determinarea turaiei optime a agregatului de supraalimentare de tip Comprex CX-93, urmrindu-se evoluia presiunii i temperaturii aerului supraalimentat admis n motor, n funcie de presiunea i temperatura gazelor de evacuare ce intr n canalele rotorului. n cele ce urmeaz, se exemplific simularea realizat conform valorilor de intrare limit redate n tabelul 4.1 a. Rezultatele simulrii pot fi urmrite att sub form sintetizat n tabelul 4.1 b. ct i sub form grafic n figurile 4.3-4.5.

Cu alte cuvinte, urmrind tabelele 4.1 a. i b., putem spune c: la o presiune a gazelor de evacuare egal cu 1,55 [bar] i o temperatur a acestora de 800 [K], n urma analizei virtuale n care s-au simulat procesele din interiorul unui canal al rotorului Comprex-ului CX-93, care prezint caracteristicile funcionale redate la nceputul prezentului capitol (fig.4.4 a.-d.), s-a determinat intervalul de turaii optime, i anume 10000-11000 [rot/min], la care agregatul de supraalimentare i confer aerului admis n motor, o presiune i o temperatur cuprins n intervalul 1,45-1,55 [bar], respectiv 348-356 [K].

n figurile 4.3. se prezint n ordonat variaia presiunii fluidului p [bar] de-a lungul celulei rotorului, n timp ce pe abscis este prezentat lungimea canalului L [mm] stbtutut de unda de presiune. Sunt prezentate 14 capturi de ecran care dau o imagine clar a evoluiei regimului de unde i deci a modificrii permanente a presiunii din rotorul Comprex-ului.

b. d. f.

h. j. l. Fig.4.3 Reprezentarea grafic a evoluiei undelor de presiune ce strbat lungimea unui canal n timpul

parcurgerii unui ciclu de funcionare ideal al CUP-ului de tip Comprex CX-93

Valorile limit de intrare n sistemul matematic de simulare Rezultatele obinute n urma simulrii

Tabelul 4.1 a. Tabelul 4.1 b. p0 T0 pev Tev nc pa Ta

[bar] [K] [bar] [K] [rot/min] [bar] [K] min. 10000 1,45 348 0,95 300 1,55 800 max. 11000 1,55 356

p [bar]

L [mm]

L [mm]

L [mm]

L [mm]

p [bar] p [bar]

p [bar] p [bar]

L [mm]

L [mm]

p [bar]

25

n figurile 4.4 a.-d. se observ caracteristicile pe care le au procesele din canalele rotorului Comprex-ului CX-93, i anume: unda primar ajunge la captul rece al rotorului n momentul deschiderii ferestrei FEA (fig.4.3 b.); unda secundar ajunge n captul cald al rotorului dup nchiderea ferestrei FAG (fig.4.3 c.); unda de expansiune ajunge n captul rece al canalului dup nchiderea FEA (fig.4.3 d.).

b. c. d. Fig.4.4 Simularea deplasrii undelor de presiune ce strbat lungimea unui canal n timpul parcurgerii

zonei de nalt presiune a unui ciclu funcional ideal al CUP-ului de tip Comprex CX-93 Valorile temperaturilor pe care le deine fluidul de lucru n timpul parcurgerii unui canal al

rotorului agregatului de supraalimentare de tip Comprex CX-93, se pot observa n cele 6 capturi ale simulrii redate n figurile 4.5 a.-f. unde se pot vedea cteva poziii ale canalului ce parcurge zona de nalt presiune a unui ciclu de funcionare ideal.

c. e. f. Fig.4.5 Evoluia temperaturii fluidului de lucru ce strbate lungimea unui canal n timpul parcurgerii

zonei de nalt presiune a unui ciclu funcional ideal al CUP-ului de tip Comprex CX-93

Valorile din legend se schimb n funcie de maximul temperaturii i presiunii fluidului de lucru din celula rotorului ce le dein la momentul respectiv.

4.5. Compararea datelor obinute prin simulare cu cele rezultate din cercetarea experimental

Rezultatele cercetrii experimentale sunt prezentate detaliat n capitolul 8 i n ANEXE. Din valorile achiziionate n cadrul investigaiilor experimentale de baz ale motorului 392 L4 DT supraalimentat cu Comprex, prezentate n ANEXA 3, s-au extras dou serii de valori experimentale ale parametrilor de interes (p0, T0, pev, Tev, pa, Ta, nC) apropiate valorilor limit de intrare n modelul de simulare prezentate n tabelul 4.1 a., n vederea validrii modelului de analiz virtual descris n acest capitol. n acest sens, n tabelul 4.2 se compar rezultatele obinute prin simulare cu cele obinute n timpul cercetrilor experimentale desfurate pe motorul 392 L4 DT supraalimentat cu Comprex-ul antrenat la turaiile 10000 [rot/min] cazul I i 11000 [rot/min] cazul al II-lea, funcionnd la regimul caracterizat de n=1400 [rot/min] i F=294 [N].

p [bar] p [bar] p [bar]

T [K] T [K] T [K]

26

Comparaia valorilor obinute prin simulare cu cele obinute experimental n timpul funcionrii motorului 392 L4 DT supraalimentat cu Comprex

Tabelul 4.2 Valoarea

Parametrul U.M. Cazul I Cazul al II-lea

p0 simulat p0 experimental

[bar] 0,95 0,95 T0 simulat 300 300 T0 experimental

[K] 273 273

T0 [%] -9 -9 pev simulat pev experimental

[bar] 1,55 1,55 Tev simulat 800 800 Tev experimental

[K] 721 705

Tev [%] -9,9 -11,9

Co

mp

araia

valo

rilor lim

it d

e intrare

n m

odelul

de sim

ulare, cu

valo

rile

experim

entale

nc simulat

nc experimental [rot/min] 10000 11000

pa simulat 1,45 1,55 pa experimental

[bar] 1,50 1,58

pa [%] +3,4 +1,9 Ta simulat 348 356 Ta experimental

[K] 355 353

Ta [%] +2 -0,8

Co

mp

araia

rezultatelor

determ

inate

prin

simulare

, cu

valo

rile

experim

entale

n tabelul 4.2 se observ c la o diferen procentual dintre valorile limit de intrare n modelul de simulare i valorile experimentale cuprins n intervalul 0 (+12) [%], s-a obinut, la aceleai valori ale turaiei Comprex-ului, o variaie procentual a rezultatelor determinate prin simulare fa de valorile experimentale cuprins ntre (-0,8 ) (+3,4) [%]. n consecin, putem afirma faptul c evoluiile undelor de presiune i temperatur obinute prin modelul de analiz virtual descris n acest capitol sunt asemntoare evoluiilor reale petrecute n canalele celulare ale rotorului CUP-ului de tip Comprex CX-93 i se nscriu ntr-o arie de abateri pe deplin acceptabil.

4.6. Concluzii Atingerea eficienei maxime de ctre CUP-ul de tip Comprex, ce presupune n principal

obinerea unei valori ridicate a presiunii aerului admis n motor (pa) n comparaie cu valoarea presiunii gazelor de evacuare (pev), depinde hotrtor de presiunea gazelor de evacuare i de turaia agregatului de supraalimentare.

Deoarece presiunea (pev) depinde de sarcina i turaia motorului, la o construcie dat a Comprex-ului, turaia nC a acestuia rmne singurul factor care influeneaz decisiv performanele procesului de supraalimentare, la un anumit regim de funcionare a motorului.

Aadar, pentru obinerea unor performane ameliorate ale procesului de supraalimentare, Comprex-ul trebuie antrenat cu o turaie optim reglat n funcie de presiunea gazelor arse i implicit de regimul de sarcin i turaie a motorului supraalimentat.

n cadrul investigaiilor experimentale ale unui MAC supraalimentat cu un CUP de tip Comprex, pe lng presiunea gazelor de evacuare trebuie s se in cont i de valoarea debitului de aer necesar motorului supraalimentat. Astfel, un debit crescut al aerului admis de motor presupune o turaie ridicat a agregatului de supraalimentare, tiut fiind faptul c debitul fluidului de lucru procesat de Comprex crete proporional cu turaia acestuia.

Simularea evoluiei undelor de presiune prezentat n cadrul acestui capitol, n urma creia s-au putut enuna concluziile mai sus menionate, este validat, dup cum rezult i din tabelul 4.2, de investigaiile experimentale desfurate cu motorul 392 L4 DT supraalimentat cu agregatul de tip Comprex CX-93.

27

5. OBIECTIVELE I STRATEGIA INVESTIGAIILOR EXPERIMENTALE

5.1. Scopul i obiectivele cercetrii experimentale

Aa dup cum s-a precizat n cadrul capitolului 1, scopul prezentei lucrri este acela de a optimiza funcionarea comun a MAC-urilor cu agregatele de supraalimentare n vederea ameliorrii parametrilor ecologici i de economicitate n condiiile meninerii performanelor de cuplu i de putere. n acest sens ne propunem s aducem n prim plan avantajele i limitele supraalimentrii unui MAC cu ajutorul CUP-urilor de tip Comprex prin aplicarea acestui procedeu la un motor de construcie romneasc.

Latura experimental a lucrrii const n echiparea MAC-ului 392 L4 DT cu ID (dotat n varianta oferit de constructor cu agregatul de supraalimentare de tip turbosuflan