ANALIZA GAZODINAMICA A PROCESULUI DE EVACUARE

ANALIZA GAZODINAMICA A PROCESULUI DE EVACUARE

Sistemul de evacuare. Gradul de perfectiune a evacuarii

La motorul cu admisiune normala, sistemul de evacuare este alcatuit (fig. ) din galeria de evacuare GE, prevazuta in chiulasa, din conducta de evacuare CE si amortizorul de zgomot AZ.

Fig. 1 Schema sistemului de admisie si evacuare

Orificiul liber al galeriei de evacuare este controlat de supapa de evacuare SE. La motorul cu admisiune fortata, cand supraalimentarea se efectueaza cu o turbosuflanta, sistemul de evacuare cuprinde in plus o turbina pusa in miscare de gazele evacuate din cilindru.

Analiza procesului de evacuare la motorul turismului Dacia 1300 prezinta urmatoareledate date:

- supapa de evacuare incepe ridicarea de pe sediu spre finele cursei de destindere, cand presiunea in cilindri este de cateva ori mai mare decat presiunea p₀ ; pana la pme, cursa de ridicare a supapei ajunge la 58% din cursa maxima de ridicare , presiunea scade sensibil dar ramane inca la o valoare ridicata (2,4 daN/cm²);

sub actiunea diferentei de presiune (p-p_ge) gazele scapa in galerie, trec prin orificiul oferit cu o viteza de 600700 m/s si se deplaseaza prin galeria de evacuare cu viteza de 50 250 m/s;

la inceputul evacuarii presiunea creste repede.

Evacuarea fortata are loc numai sub actiunea pistonului, in ultima parte a cursei de evacuare aproximativ pe 120 RA, de la q = 600 RA.

Valoarile unor parametri caracteristici in procesul de evacuare la motorul autoturismului Dacia 1300 sunt dati in matricea "data" :

unde semnificatia termenilor din coloane este urmatoarea:

Coloana 1-a grade rotatie arbore cotit, in timpul ciclului de functionare;

Coloana 2-a cursa supapei de evacuare, in mm;

Coloana 3-a masa gazelor evacuate, in %;

Coloana 4-a suprapresiunea gazelor (), in .

Polinom de ajustare polinomiala de gradul patru

Pentru determinarea polinomului "cursa supapei de evacuare functie de pozitia arborelui cotit" se aplica urmatorul algoritm:

Fig. 2 Variatia cursei supapei de evacuarein functie de pozitia AC

Polinom de ajustare polinomiala de gradul trei p = p(q

Pentru determinarea polinomului "Suprapresiunii gazelor din cilindru functie de pozitia arborelui cotit" se aplica urmatorul algoritm:

Fig. 3 Variatia suprapresiunii gazelor in functie de pozitia AC

Polinom de ajustare polinomiala de gradul trei

Pentru determinarea polinomului "Masa gazelor evacuate functie de pozitia arborelui cotit" se aplica urmatorul algoritm:

Fig. 4 Variatia procentuala a gazelor evacuate in functie de pozitia AC

Din fig. 4 rezulta ca masa de gaze evacuate m_ge in procente, in functie de q RA, la motorul autoturismului Dacia 1300, la evacuarea libere, masa m_ge ajunge la 30% din masa de gaze de ardere m_ga. Aceasta informatie obtinuta prin calcul arata ca la motoarele rapide evacuarea libera are o pondere cu mult mai mica decat aceea evaluata la motoarele de turatie mica, la care ajunge pana la 60.. .70 %. In momentul inchiderii supapei de evacuare, in cilindru mai raman gaze de ardere - gazele reziduale de masa m_gr sau numarul de kilomoli care participa la efectuarea ciclului urmator.

La motoarele in patru timpi cu admisiune normala, se determina presupunand ca masa gazelor de ardere care ocupa volumul (Volumul camerei de ardere), cand pistonul se afla la pmi, la presiunea p_g si temperatura :

(3)

si apoi se determina impartind relatia (3) la . Daca se noteaza:

,

rezula:

. (4)

Relatia (4) evidentiaza faptul ca este invers proportional cu , ceea ce explica dezideratul general de a micsora pe pentru a obtine o valoare ridicata a lui Apoi se observa ca este direct proportional cu p_g si invers proportional cu T_g. In fine rezulta ca este invers proportional cu . Aceasta dependenta trebuie evaluata prudent deoarece, cu cat este mai mare, gazele de ardere se destind mai mult in cilindru si T_g scade. Totusi, la marirea lui produsul creste, iar se micsoreaza. Sub aspect energetic perfectiunea evacuarii se determina prin lucrul mecanic consumat pentru evacuarea gazelor de ardere. Partial, efectul energetic se apreciaza prin lucrul mecanic de pompare.

2 Analiza procesului de evacuare

Un parametru semnificativ al evacuarii este temperatura gazelor evacuate T_ge care defineste regimul termic al motorului. Temperatura gazelor evacuate se masoara in galeria de evacuare sau in apropierea ei, cu un termocuplu care indica temperatura medie a gazelor evacuate

Fig. 5 Temperaturii gazelor de evacuare

Procesul de evacuare se cerceteaza pe baza diagramei de presiune care se inregistreaza cu un traductor de presiune. Se inregistreaza presiunea in galeria de evacuare sau in conducta de evacuare si se obtin informatii cu privire la rezistentele gazodinamice ale traseului de evacuare si la fenomenele dinamice din conductele de evacuare.

Evacuarea are loc, partial in regim critic de curgere, partial in regim subcritic. Regimul de curgere este critic daca presiunea p_ge din poarta supapei de evacuare este mai mica decat presiunea critica p_cr (p_ge < p_cr); aceasta din urma este determinata de presiunea din cilindru:

fiind exponentul adiabatic ale gazelor evacuate. In perioada evacuarii libere p_ge< p_cr . Curgerea in regim critic cu viteze mari reprezinta o sursa importanta de zgomot. De aceea, sistemul de evacuare este prevazut cu amortizorul de zgomot care obliga gazele sa se destinda inainte de a ajunge in atmosfera.

Din relatia debitului masic rezulta:

, (8)

unde este masa instantanee de gaze evacuate, iar indicele defineste marimile in orificiul oferit de supapa de evacuare.

In matricea "dataev" se prezinta date experimentale referitoare la variatia debitului de gaze evacuate in functie de pozitia arborelui cotit ():

unde pe coloana intaia sunt unghiurile ce definesc pozitia AC, iar pe coloana a doua valorile marimii (). Pentru reprezentarea grafica a variatiei q se utilizeaza interpolarea "Spline" cubica:

Fig. 6 Variatia debitului masic momentan de gaze evacuate in functie de pozitia AC

Pentru a spori eficienta procesului de evacuare, adica pentru a reduce pe se impune cresterea masei m_ge care se defineste prin integrare:

. (9)

3 Traseul de evacuare si admisie

Traseul de evacuare are conducte mai lungi care produc rezistente gazodinamice relativ mari. La MAC se plaseaza uneori in conducta de evacuare o clapeta care creeaza o contrapresiune in galeria de evacuare (2,5 3,0 daN/cm²), pentru a spori lucrul mecanic de pompaj.

Amortizoarele de zgomot creeaza rezistente in calea curentului. Amortizorul de zgomot produce o crestere a presiunii p_ge, din care cauza creste L_p si g_r, scade si se inregistreaza o reducere de putere DP_e, de aproximativ l pentru fiecare zecime de daN/cm² in plus. Din aceasta cauza este recomandabil sa se incerce motorul cu si fara amortizor, iar la competitiile de viteza este permisa inlaturarea amortizorului de zgomot.

Numarul de cilindri ai motorului. La motoarele policilindrice, conductele de admisiune si evacuare au inevitabil coturi si lungimi diferite. Incercari experimentale cu un motor cu sase cilindri au aratat (fig. 8) o crestere a coeficientului la cilindrii extremi cu conducta mai lunga.

Incercarile cu chiulasa motorului turismului Dacia 1300 au aratat ca cifrele de curgere nu sunt reproductibile de la cilindru la cilindru, gradul de dispersie fiind de 20%. Rezulta astfel o umplere neuniforma a cilindrilor.

Fig. 8 Influenta conductei de admisiune asupra lui

La motoarele policilindrice apare un fenomen specific: interferenta schimbului de gaze intre cilindri.

La evacuarea gazelor, caderile de presiune se inverseaza () Presiunea in galeria de evacuare creste la inceput repede datorita evacuarii libere (fig. 9). Golirea cilindrilor este eficienta daca spre finele evacuarii, presiunea in galerie este p_ge < p₀, astfel ca, diferenta p - p_ge >> 0 ar permite reducerea cantitatii de gaze reziduale. Cilindrii invecinati 3 si 4 realizeaza succesiv evacuarea. La pme evacuarea libera din cilindrul 4 mareste presiunea p_ge care se transmite prin conducta pana in poarta supapei cilindrului 3 si impiedica evacuarea gazelor de ardere din acesta, in mod analog, cilindrul 2, la inceputul evacuarii, impiedica refularea gazelor de ardere din cilindrul 3 spre finele evacuarii. Aceasta reprezentare a fenomenului de interferenta a evacuarii este in opozitie cu alta reprezentare care sustine ca gazele care trec din cilindrul 4 prin conducta de evacuare, produc un efect de ejectie datorita vitezelor mari de curgere, usurand evacuarea din cilindrul 3. Solutiile recente de conducte de evacuare infirma ultima reprezentare. Astfel, se cauta sa se atenueze efectul interferentei evacuarii, in acest scop, schema b este inlocuita de schema c, la care conductele lungi impiedica propagarea varfului de presiune de la un cilindru la altul, in perioada interferentei evacuarii. Solutiile din fig. 10 elimina consecintele fenomenului de interferenta; in cazul a toate conductele fiind independente, iar in cazul b cilindrii 2 si 3 cu poarta "siameza' au o conducta comuna, dar evacuarea este decalata.

Fig. 9 Interferenta evacuarii la motoarele policilindrice

Fig. 10 Scheme ale conductelor de evacuare

4 Fenomene dinamice in conducte

Daca se elimina simplificarea ca curgerea prin conducte este permanenta (W = ct) iar presiunea in cilindru cvasiconstanta in cursele de pompaj, se evidentiaza doua fenomene distincte: fenomenul inertial si fenomenul ondulatoriu. Primul este determinat de inertia coloanei de gaz din conducte, urmatorul, de elasticitatea coloanei de gaz. Cele doua fenomene actioneaza simultan, dar, in anumite conditii, unul sau altul este preponderent, ceea ce impune cercetarea lor distincta. Proiectantul le pune in folosul schimbului de gaze in doua feluri si anume

spre sfarsitul procesului de admisiune se realizeaza in poarta supapei de admisiune o crestere de presiune care intensifica postumplerea;

spre sfarsitul procesului de evacuare (perioada ) se realizeaza in poarta supapei de evacuare o depresiune care usureaza evacuarea gazelor de ardere sau baleiajul cilindrului.

Fenomenul inertional este determinat de deplasarea gazelor prin conducte cu viteze variabile, generate, in esenta, de modificarea continua a ariei orificiului oferit de supapa. Se considera coloana de fluid proaspat din conducta de admisiune ca un gaz incompresibil. Asupra coloanei de gaz actioneaza, la o extremitate presiunea atmosferica p₀, iar la cealalta extremitate, in poarta supapei de admisiune, presiunea p_psa diferita de presiunea p_ga.

Miscarea coloanei de gaz este descrisa de ecuatia lui Newton: F = ma sau

(

unde: d_ca - diametrul conductei de admisiune; W_ca - viteza in conducta; m_ca - masa de fluid din conducta.

Pentru a evalua efectul inertional se actioneaza pe doua cai:

1) se determina variatia de viteza prin intermediul metodei care rezolva sistemul general de ecuatii diferentiale al procesului de schimbare a gazelor, prin metodele analizei numerice;

2) se elaboreaza un criteriu de similitudine. pe baza ecuatiei (12), care se coreleaza apoi cu datele experimentale.

Se numeste criteriul de similitudine al efectului inertional, grupul adimensional

(13)

Efectul ondulatoriu, in cazul unei conducte lungi (fig. 12, c), cresterea cu EI este similara, dar inregistreaza perturbatii care se pun pe seama efectului ondulatoriu, care se suprapune aici peste efectul inertional.

Excitatia produsa de cilindru la o extremitate a conductei genereaza unde de presiune care se propaga in coloana de gaz cu viteza sunetului.

In procesul de admisiune, la inceput, are loc o scadere a presiunii in cilindru, care produce o depresiune in poarta supapei. Depresiunea se propaga in conducta (fluid compresibil sau elastic) cu viteza sunetului 330 m/s. Depresiunea produsa la inceputul admisiunii se reflecta la extremitatea conductei de admisiune cu schimbare de semn si se reintoarce in poarta supapei de admisiune ca o suprapresiune care intensifica postumplerea (postumplere ondulatorie). La un motor monocilindric se calculeaza lungimea conductei L pentru ca o unda de presiune sa ajunga la sfarsitul admisiunii in poarta supapei. Durata de propagare a perturbatiei de presiune, dus-intors, este unde adica

(14)

Pentru practica s-a propus criteriul adimensional al efectului ondulatoriu, pe baza relatiei (14)

(15)

Se observa ca el apare in relatia (13), care se poate scrie EI = E0²(V_s/ V_ca). S-a stabilit ca se obtine un efect maxim pentru umplere daca    E0 = 6 7. In acest caz rezulta L = 7.330/3000 = 0,77 m. La motoarele policilindrice ramificatiile conductei de admisiune exercita un efect de rezonanta si este necesara o corectie suplimentara. Pentru un motor cu 8 cilindri in V, Chrysler a propus o relatie care se reduce la (14), dar cu = 72 si n = n_M. Turatia modifica frecventa excitatiei coloanei de gaz, de aceea, in unele cazuri se obtin pentru anomalii de forma indicata in figura 12, d.

In procesul de evacuare, la inceput, evacuarea libera produce in poarta supapei de evacuare o crestere de presiune, un varf de presiune care se propaga in conducta cu viteza medie de 400 500 m/s, in functie de temperatura gazelor de evacuare. Presiunea produsa la capatul conductei de evacuare se reflecta cu schimbare de semn si se intoarce in poarta supapei ca o unda de depresiune. Frecventa fundamentala a unei unde stationare intr-un tub inchis, care simuleaza conducta de evacuare, este f_f = a_ge/4L (a_ge - viteza sunetului in gazele de evacuare). Pentru a_ge = 500 m/s si L = 2 m rezulta f_f = 63 osc/s. Daca n = 2 000 rot/min = 33,5 rot/s, rezulta ca in o rotatie, apar 63/33,5 2 osc/rot, ceea ce se confirma experimental (fig. 12, a), in acest caz, in pmi soseste o unda de presiune care impiedica evacuarea gazelor de ardere. La turatia de 4000 rot/min rezulta l osc/rot (fig. 12, b), ceea ce produce in pmi, o depresiune, care intensifica evacuarea. Pentru a obtine unda de depresiune se pune aceeasi conditie ca in admisiune si se gaseste lungimea conductei, folosind relatia (14). Si in acest caz sunt necesare corectii de forma (durata evacuarii). Traseul de evacuare cuprinde doua tronsoane. Primul independent de lungimea L*; al doilea comun pentru mai multi cilindri. Pentru lungimea L* s-a gasit prin experimentari relatia:

(16)