NECESITATEA SI EFICIENTA SUPRAALIMENTARII. PARTICULARITATI CONSTRUCTIV FUNCTIONALE ALE PROCEDEELOR DE SUPRAALIMENTARE

NECESITATEA SUPRAALIMENTARII

Puterea unui anumit motor este cu atat mai mare cu cat lucrul mecanic realizat intr-un ciclu este mai mare si cu cat ciclul motor s-a efectuat intr-un interval de timp mai scurt. Dar L_m realizat intr-un ciclu se obtine prin arderea unei anumite cantitati de combustibil, care necesita o anumita cantitate de aer. Prin urmare, puterea unui motor va creste cu cresterea cantitatii de combustibil ars intr-un ciclu, ceea ce necesita cresterea masei de aer existenta in cilindru la sfarsitul procesului de umplere. Masa de incarcatura proaspata existenta in cilindru la sfarsitul umplerii este:

[kg/h] (1)

in care r_a [kg/m³] reprezinta densitatea aerului.

Sporirea masei de aer in decursul umplerii cilindrului prin cresterea densitatii r_a in scopul cresterii puterii motorului se numeste SUPRAALIMENTARE.

Marirea puterii motorului cu ardere interna poate fi obtinuta si prin cresterea dimensiunilor cilindrului precum si prin cresterea turatiei. Dimensiunile cilindrului la m.a.i. navale au ajuns la marimi maxime (D>1000mm si S/D>2,5),care probabil nu mai pot fi dezvoltate in viitor datorita fortelor de inertie ridicate. Numarul de cilindri a ajuns, de asemenea, la valori maximale datorita vibratiilor torsionale si de incovoiere ale liniilor de arbori: 12 la motoarele in linie, 18 la motoarele in V si 56 la motoarele in stea sau in X. Si in ceea ce priveste turatia, cresterea acesteia implica reducerea dimensiunilor constructive pentru limitarea fortelor de inertie create. Ca urmare, cel mai extins si mai eficace procedeu de marire a puterii este cresterea masei de aer prin supraalimentare.

CLASIFICAREA SISTEMELOR DE SUPRAALIMENTARE

Sistemele de supraalimentare ale m.a.i. se clasifica dupa doua criterii: 1) presiunea aerului si 2) modul de actionarea al agregatului de supraalimentare. Dupa primul criteriu, se disting sisteme de supraalimentare:

a)      cu presiune redusa (1,2.1,5 bar);

b)      cu presiune medie (1,5.2,0 bar);

c)      cu presiune ridicata (2,0.3,5 bar);

d)      cu presiune foarte mare (p_s>3,5 bar).

Dupa modul de actionarea al suflantei sunt cunoscute urmatoarele tipuri:

a)      cu actiune mecanica (fig.1.a);

b)      cu actiune electrica (fig.1.b);

c)      cu actionare cu TG (fig.1.c);

d)      cu actionare mixta (fig.1.d).

Antrenarea mecanica asigura o supraalimentare joasa, presiunea de supraalimentare fiind limitata la p_s = 1,5.1,6 bar. La presiuni mai mari, puterea consumata pentru antrenarea agregatului de SA devine extrem de mare ceea ce reduce economicitatea motorului. Acest sistem asigura concordanta dintre debitul de aer si turatie, fara a sesiza si variatia de sarcina. Aceste dezavantaje sunt inlaturate partial prin utilizarea unui sistem de ambreiaj centrifugal care permite cuplarea suflantei numai la regimuri de sarcina si de turatie ridicate.

Fig.1

In cazul actionarii electrice, suflanta trimite in cilindru o cantitate constanta de aer, fara a pune i n corelatie cu turatia sau cu sarcina motorului. De aceea utilizarea acestui sistem este limitata de:

motorul cu regimuri de sarcina si de turatie constanta;

functionarea in regimurile reduse de sarcina si turatie ale motoarelor supraalimentate cu TS;

functionarea in caz de avarie a sistemului propriu-zis de SA.

Suflanta actionata de o TG reprezinta solutia cea mai des intalnita, datorita consumului relativ redus de putere si a autoreglarii la orice regim de sarcina sau de turatie. Suflanta este montata pe acelasi arbore cu rotorul TG, ansamblul fiind denumit turbosuflanta. Turbina valorifica o parte din energia gazelor arse evacuate din motor, astfel ca pentru actionarea suflantei nu este consumat lucru mecanic de la motor. Pentru a se mari eficienta SA este necesara racirea aerului intre suflanta si motor. De asemenea, deschiderea SE se face in avans mai mare, pentru a se crea posibilitatea unei destinderi mai mari a gazelor de evacuare in paletele turbinei. O alta masura de crestere a eficientei SA o reprezinta impartirea galeriei de evacuare in ramificatii separate, pentru o mai buna folosire a energiei cinetice a gazelor de evacuare.

Supraalimentarea de presiune mare si foarte mare se realizeaza prin comprimarea aerului in doua trepte si racirea lui intermediara. Prima treapta de comprimare se realizeaza cu o TS, iar a doua treapta de comprimare se realizeaza cu o pompa de aer cu piston, antrenata de motor (sistem utilizat la MAC in 2t). A doua treapta de comprimare poate fi realizata tot cu o TS sau cu o suflanta antrenata mecanic (la motoarele in 4t). In cazul SA de presiune foarte mare, este necesara racirea aerului dupa fiecare treapta de comprimare. La motoarele cu SA de presiune mare si foarte mare, organele mecanismului motor trebuie dimensionate corespunzator, pentru a rezista solicitarile ridicate la care sunt supuse.

PARTICULARITATI ALE SUPRAALIMENTARII MOTOARELOR IN DOI TIMPI

Particularitatile functionale si constructive ale motoarelor in 2t, determinate de lipsa c urselor de pompaj ale motoarelor in 4t, la SA cu TS conduc la:

a)      pornirea dificila si functionarea instabila a motorului la turatii reduse;

b)      consum mare de aer de baleiaj;

c)      reducerea temperaturii gazelor arse datorita amestecarii lor cu aerul de baleiaj;

d)      inrautatirea baleiajului la cresterea presiunii de evacuare.

Pentru inlaturarea acestor neajunsuri sunt utilizate urmatoarele scheme de SA:

a)completarea instalatiei de SA cu TS cu o electrosuflanta care sa asigure baleiajul si umplerea cilindrilor la pornire si sa completeze debitul de aer al TS la regimul de functionare cu turatii reduse ale motorului (fig.2.a);

b)instalatia de SA in paralel (fig.2.b) la care aerul este debitat intr-un colector comun, atat de suflanta, cat si de pompa de aer. La aceste sisteme debitul incomplet al suflantei este completat de debitul pompei de aer actionata de motor. In acest scop, se pune problema stabilirii dimensiunilor optime ale pompei de aer, care sa asigure debitul de aer necesar;

c)Instalatia de SA in succesiune (serie) (fig.2.c). In acest caz, suflanta actionata de TG introduce aerul comprimat in aspiratia pompei de aer actionata de motor. Sistemul permite realizarea unor presiuni mari ale aerului de SA, o umplere buna a cilindrului si, prin aceasta, asigurarea unei suprafete mari a motoarelor la trecerea de la un regim de functionare la altul.

d)Instalatia de SA mixta (fig.2.d) care consta in supraalimentarea unor cilindri dupa schema paralel si a celorlalti    dupa schema serie. Sistemul asigura imbinarea avantajelor celor doua sisteme.

Fig.2

e)Instalatia de SA cu doua trepte de comprimare (fig.2.e) poate fi realizata la prima treapta cu turbina cu impuls iar a doua treapta cu turbina de presiune constanta. Comprimarea se face in succesiune, ar aerul este racit dupa fiecare treapta de comprimare. Sistemul este aplicat la motoarele cu presiuni efective mari (p_e 20.25 bar).

PARTICULARITATILE UMPLERII LA MOTOARELE SUPRAALIMENTATE

Analizand diagrama indicata de pompaj a unui motor in 4t supraalimentat (fig.3) se observa ca datorita pierderilor gazodinamice presiunea in cilindru, atat in decursul, cat si la sfarsitul umplerii p_a este mai mica decat presiunea aerului de SA p_s.

Pentru ca aerul sa patrunda in cilindrul motorului trebuie ca presiunea din colectorul de umplere sa fie mai mare decat presiunea gazelor din cilindri. Realizarea acestor Fig.3.

conditii impune ca, la motoarele SA, avansul la deschiderea SE sa fie marit. Prin aceasta masura se imbunatateste evacuarea gazelor, inclusiv functionarea TG, care va dispune de o cantitate sporita de energie, ceea ce va avea ca efect cresterea sensibila a presiunii de supraalimentare. Momentul inchiderii SE trebuie corelat cu momentul deschiderii SA, tinand seama de necesitatea realizarii unui baleiaj corespunzator, prin care sa se asigure evacuarea fortata a gazelor arse si racirea peretilor cilindrilor, a capului pistonului, a chiulasei si SE, cerinta impusa de solicitarile termice mai ridicate ale acestor organe. La MAC in 4t SA, suprapunerea deschiderii Fig.4

supapelor se afla intre limitele 90.150 RAC, comparativ cu 40.60 RAC, cat se foloseste la MAC cu admisie naturala (fig.4).

Pentru a folosi cat mai rational fenomenul de umplere inertiala, intarzierea la inchidere a SA trebuie sa fie mai mare fata de intarzierea la inchidere a SA la MAC cu admisie naturala.

5.CONSTRUCTIA AGREGATULUI DE SUPRAALIMENTARE

In constructia agregatului de SA se utilizeaza doua tipuri de suflante: de dislocare sau cu palete. Suflantele de dislocare pot fi:

a)      cu piston;

b)      cu placi rotitoare;

c)      cu rotoare profilate (tip Roots);

d)      elicoidale (cu surub)

iar cele cu palete:

a)      centrifugale:

b)      axiale;

c)      axial-centrifuge.

Cea mai mare raspandire o au suflantele centrifugale, caracterizate prin dimensiuni reduse si randamente ridicate. Valorile reduse ale dimensiunilor se datoreaza turatiilor mari de functionare (20000.100000 rot/min).

Din punct de vedere constructiv, TG utilizate in agregatele de SA pot fi axiale sau radiale, cea mai larga utilizare avand-o cele axiale, caracterizate prin randamente mari la gabarite si greutati reduse.

Dupa modul in care este folosita energia continuta de gazele de evacuare se disting:

a)      turbina cu presiune constanta;

b)      turbina de presiune variabila (numite si turbine de impuls).

La turbina de presiune constanta, evacuarea gazelor este dirijata intr-un colector comun pentru toti cilindri, al caror volum este suficient de mare in raport cu volumul unui cilindru. La turbina cu impuls sistemul de evacuare se imparte in mai multe colectoare separate, care au un volum redus. Fiecare din aceste colectoare se cupleaza cu un grup de doi, trei sau patru cilindri. In cazul SA inalte si foarte inalte, se utilizeaza combinat cu prima turbina cu impuls si cea de-a doua de presiune constanta.

Dupa modul de rezemare a arborelui TS se deosebesc urmatoarele solutii:

a)      arborele rezemat la extremitati (fig.5.a). Solutia permite montarea simpla, vizitarea lagarelor, protejarea lagarelor de temperatura ridicata a galeriilor de evacuare si simplificarea sistemelor de etansare, dar mareste lungimea agregatului;

b)      arborele cu rotorii in consola la extremitati (fig.5.b). Rezulta reducerea lungimii, dar lagarele nu pot fi vizate si sistemele trebuie protejate la incalzire; Fig.5

c)      solutia combinata (fig.5.c), care protejeaza lagarul TG impotriva incalzirii si asigura pierderi minime la intrarea aerului in compresor;

d)      arborii cu rotorii in consola la o singura extremitate (fig.5.d). Asigura compactitate si rigiditate ridicata, dar determina incalzirea aerului in suflanta.

Ca lagare de reazem se utilizeaza lagarele de alunecare, cat si lagarele de rostogolire.

6.MASURI CONSTRUCTIVE APLICATE LA M.A.I. SUPRAALIMENTATE

Pentru a mari sectiunea de trecere a canalelor de evacuare si admisie, la MAC 4t supraalimentate se prevad, la fiecare cilindru cate 2 SA si 2SE. Pentru a mari coeficientul de umplere se intervine asupra profilului camelor de actionare a supapelor de distributie, in sensul obtinerii unui timp-sectiune mai mare. In acest fel, se poate asigura umplerea suplimentara a cilindrului, pe baza inertiei coloanei de aer, realizandu-se o suprapresiune de 0,1.0,2 bar (fig.6).

Lungimea colectorului de evacuare trebuie stabilita din conditiile ca undele de presiune care se formeaza in acest colector sa favorizeze umplerea cilindrului.

Colectorul de evacuare trebuie astfel construit incat variatiile de presiune care apar in cilindru si in acest colector sa influenteze favorabil procesul de baleiaj. Pentru a inlatura suprapunerea in timp a perioadelor de baleiaj, uneori este necesar sa se foloseasca mai multe colectoare de evacuare. Daca a_cil este unghiul de rotatie al arborelui cotit aferent unui ciclu motor; i - numarul de cilindri si a_sp - unghiul de rotatie corespunzator suprapunerii deschiderii supapelor, decalajul intre procesele care se realizeaza in doi cilindri trebuie sa fie:

(2)

Daca i_c este numarul de cilindri care in decursul duratei a_ciclu evacuarea in fiecare colector si n_c - numarul de colectoare ale motorului, atunci:

(3)

Admitand, in functie de tipul motorului, marimea a_sp si numarul de cilindri i_c, se obtine numarul necesar de colectoare n_c. Gruparea pe colectoare a cilindrilor depinde de numarul de cilindrii si de ordinea de aprindere. In figura 7 este prezentata gruparea cilindrilor pe colectoare de evacuare

Fig.7

Un alt factor de influenta a baleiajului si a umplerii cilindrului il constituie raportul dintre volumul colectorului de evacuare si volumul unui cilindru (V_col/V_s). S-a constatat ca prin reducerea acestui raport, impulsurile de presiune    in colectorul de evacuare cresc (curba I din figura 8), ceea ce conduce la cresterea presiunii aerului p_s si la marirea diferentei de presiune Dp_I, cu efectele favorabile asupra procesului de baleiaj. Daca acest raport creste, impulsurile de presiune se reduc, se asemenea se reduce si diferenta de presiune Dp_II < Dp_I

Fig.8

7.PARAMETRII CICLULUI DE FUNCTIONARE AL MOTOARELOR SUPRAALIMENTATE

Deoarece presiunea de supraalimentare p_s se afla intr-o dependenta complexa de mai multi factori ai ciclului de functionare, stabilirea marimii ei pentru diferite tipuri de motoare prevazute cu diverse tipuri de scheme de supraalimentare este dificila. Pentru calculele aproximative aceasta presiune poate fi obtinuta din expresia consumului efectiv de combustibil:

(4)

Pe baza datelor experimentale, s-a stabilit ca intre p_s si p_e exista o lege de forma:

(5)

in care C = 6,85.8,33 pentru MAC 4t si C = 4,55..5,55 pentru MAC2t. Marimile mai reduse ale acestui raport la motoarele in 2 t se explica prin consumul specific de aer de baleiaj mai mare (b_a = 9,5.11 kg/kW h) fata de 5,4.8,1 kg/kW h cat este necesar la motorul in 4t

Una din conditiile de baza menita sa asigure cresterea eficientei supraalimentarii o constituie necesitatea reducerii temperaturii aerului.

Conform relatiei:

(6)

temperatura T_s la iesirea din suflanta depinde de temperatura mediului ambiant T_o, de raportul presiunilor (p_s/p_o) si de exponentul politropic n_s. In figura 9 este prezentata variatia temperaturii si a densitatii aerului de supraalimentare, functie de p_s, pentru diferite marimi ale exponentului n_s.

Fig.9

Se remarca faptul ca, pentru orice valori ale lui n_c, cresterea presiunii p_s determina in primul rand cresterea temperaturii si mai putin a densitatii.

Racitorul de aer este apreciat dupa:

efectul de racire produs;

reducerea presiunii aerului datorita rezistentelor gazodinamice proprii.

Prin efectul de racire se intelege raportul:

=0,6.0,9 (7)
unde T_s si T_s' reprezinta temperaturile aerului la intrarea si, respectiv, iesirea din racitor.

Reducerea presiunii aerului la trecerea prin racitor este apreciata prin raportul dintre presiunea la iesirea si, respectiv, intrarea in racitor:

(8)

Deci, in functie de d_rac, rezistenta gazodinamica la trecerea aerului va fi:. In cazul racitoarelor motoarelor navale, in conditii normale de exploatare, Dp_rac = (0,006.0,015)bar.

Pentru a evita cresterea excesiva a presiunii de ardere p_t, la motoarele supraalimentate raportul de compresie se limiteaza la e = 11.12. De asemenea raportul de crestere a presiunii e limitat la l_p 1,34.1,54. Cu toate aceste reduceri, presiunea maxima de ardere atinge valori ridicate (110.130 bar). S-a constatat ca o functie corespunzatoare a motorului, cu o economicitate maxima, se realizeaza pentru rapoarte:

40.60

In figura 10 este prezentat domeniul de variatie a presiunii p_z in functie de p_s.

Experimental s-a constat ca odata cu cresterea puterii specifice a motorului prin supraalimentare, cresc si pierderile mecanice. Astfel, la motoarele in 2t, prin cresterea p_e = 8.12 bar, presiunea medie a pierderilor mecanice a crescut de la cca 0,9 la cca. 1,4 bar. La motoarele in 4t, la cresterea p_e = 15.22 bar, presiunea medie a pierderilor mecanice s-a marit de la 1,9 la 2,2 bar.

Raportul dintre p_s si p_ev (presiunea gazelor din coloana de evacuare) caracterizeaza perfectiunea procesului de schimbare de gaze la motorul supraalimentat. Conform datelor experimentale p_s/p_ev = 1,15.1,5 la motoarele lente si p_s/p_ev = 1,35.1,5 la motoarele rapide.

Fig.10