Ing. Catalin George ATANASIU - unitbv.ro · Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor...

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN

Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013

Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”

Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Burse doctorale pentru dezvoltare durabila” BD-DD

Numărul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945

Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din Brasov

Scoala Doctorala Interdisciplinara

Departamentul: Autovehicule si Transporturi

Ing. Catalin George ATANASIU

Cercetari privind supraalimentarea

motoarelor de automobile

Researches regarding automotive engines

supercharging

Conducător ştiinţific

Prof.Dr.Ing. Anghel CHIRU

BRASOV, 2013

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

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

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 5984 din 02.09.2013

PREŞEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Ioan Calin ROSCA

DECAN – Facultatea de Inginerie Mecanica

Universitatea “Transilvania” din Brasov

CONDUCĂTOR

ŞTIINŢIFIC:

- Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU

Universitatea “Transilvania” din Brasov

REFERENŢI:

- Prof. univ. dr. ing. Tudor PRISECARU

Universitatea „Politehnica” din Bucuresti

- Prof. univ. dr. ing. Ion TABACU

Universitatea din Pitesti

- Prof. univ. dr. ing. Gheorghe Alexandru RADU

Universitatea „Transilvania” din Brasov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 11.12.2013, ora

10:00, sala UII3, la Aula Universitatii Transilvania din Brasov.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să

le transmiteţi în timp util, pe adresa: [email protected].

Totodată, vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.

mailto:[email protected]

Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor de automobile

89

Cuprins (Lb. Romana)

1. Introducere, resurse energetice, transport si mediu ............................................. 7

1.1 Problema globală .................................................................................................... 7

1.2 Transporturile in secolul XXI si evolutia parcului auto .............................................. 8

1.3 Resursele energetice folosite in domeniul auto ...................................................... 10

1.4 Influența arderii combustibililor asupra mediului ................................................... 11

1.5 Cerinte privind consumul energetic si emisiile autovehiculelor ............................... 12

1.6 Concluzii ............................................................................................................... 14

2. Analiza posibilitatilor tehnice de imbunatatire a performantelor motoarelor cu

aprindere prin comprimare .............................................................................................. 15

2.1 Analiza ciclurilor motoarelor cu aprindere prin comprimare ................................... 15

2.2 Influenta factorilor de stare asupra performantelor motoarelor ............................. 18

2.3 Influenta factorilor functionali asupra performantelor motoarelor ......................... 19

2.4 Influenta factorilor constructivi asupra performantelor motoarelor ....................... 20

2.5 Concluzii privind analiza solutiilor constructive ...................................................... 23

2.6 Obiectivele si etapele dezvoltarii lucrarii ................................................................ 23

3. Studiul sistemelor de supraalimentare folosite la m.a.i. pentru automobile ....... 27

3.1 Introducere ........................................................................................................... 27

3.2 Supraalimentarea acustica .................................................................................... 28

3.3 Supraalimentarea cu agregat antrenat mecanic ..................................................... 29

3.4 Supraalimentarea cu turbosuflanta ....................................................................... 33

3.5 Supraalimentarea cu unde de presiune .................................................................. 35

3.6 Supraalimentarea mixta ........................................................................................ 36

3.7 Concluzii ............................................................................................................... 38

4. Compresorul cu unde de presiune. Principiul de functionare. Constructie.

Optimizare ...................................................................................................................... 39

4.1 Istoric și aplicaţii ................................................................................................... 39

4.2 Principiul de funcţionare al compresorului cu unde de presiune ............................. 39

4.3 Descrierea elementelor și caracteristicilor constructive ale unui compressor cu unde

de presiune ............................................................................................................................ 40

4.4 Sisteme auxiliare ................................................................................................... 41

4.5 Variante constructive ............................................................................................ 43

4.6 Optimizarea constructiva a agregatului cu unde de presiune .................................. 44

5. Analiza in mediu virtual a performantelor m.a.c. .............................................. 49

5.1 Modele matematice folosite in dezvoltarea lucrarii ................................................ 49

5.2 Echipamentul software utilizat .............................................................................. 54

5.3 Concluzii cu privire la analiza in mediu virtual ........................................................ 58


90

6. Echipamente, tehnici si procedee utilizate in cadrul cercetarii experimentale .... 59

6.1 Scopul si obiectivele cercetarii experimentale ........................................................ 59

6.2 Metodica programului de incercari experimentale ................................................. 59

6.3 Standul de incercari experimentale ........................................................................ 60

6.4 Adaptarea compresorului cu unde de presiune pe motorul Renault K9K ................. 62

7. Rezulatele investigatiilor experimentale si a cercetarilor in mediu virtual

efectuate pe motorul Renault K9K ................................................................................... 64

7.1 Rezultatele cercetarii experimentale ...................................................................... 64

7.2 Determinarea turatiei optime de antrenare a compresorului cu unde de presiune .. 73

7.3 Validarea modelului virtual realizat in AVL Boost v.2010......................................... 74

7.4 Validarea modelului virtual realizat in AVL Fire v.2010............................................ 75

7.5 Analiza in mediu virtual a comportamentului unui motor supraalimentat mixt,

compresor cu unde de presiune – turbosuflanta ...................................................................... 77

7.6 Rezultatele investigatiilor experimentale efectuate pe motorul echipat cu compresor

cu unde de presiune optimizat................................................................................................. 78

8. Concluzii finale. Contributii originale. Directii viitoare de cercetare ................... 81

8.1 Concluzii finale ...................................................................................................... 81

8.2 Contributii originale ............................................................................................... 82

8.3 Directii viitoare de cercetare .................................................................................. 82

Bibliografie (selectiva).......................................................................................... 83

Scurt rezumat (Lb. Romana, Lb. Engleza) .............................................................. 86

CV (Lb. Romana, Lb. Engleza) ............................................................................... 87


89

Cuprins (Lb. Engleza)

1. Introduction, energy resources, transport and environement .............................. 7

1.1 Global problem ....................................................................................................... 7

1.2 Transport in XXI century and evolution of automotive fleet ..................................... 8

1.3 Energy resources used in automotive industry ....................................................... 10

1.4 The influence of fuel burning over environement ................................................... 11

1.5 Demands regarding fuel consumption and polutant emissions of automotive sector

.............................................................................................................................................. 12

1.6 Conclusions ........................................................................................................... 14

2. Technical posilibilty analysis of improving the compression-ignition internal

combustion engine performance...................................................................................... 15

2.1 Cycle analysis of compression-ignition engines ...................................................... 15

2.2 The influence of state factors over engine’s performance ....................................... 18

2.3 The influence of functional factors over engine’s performance ............................... 19

2.4 The influence of constructive factors over performance ......................................... 20

2.5 Conclusions ........................................................................................................... 23

2.6 Thesis objectives and development stages ............................................................. 23

3. Study of supercharging system used for automotive internal combustion engines

....................................................................................................................................... 27

3.1 Introduction .......................................................................................................... 27

3.2 Natural supercharging ........................................................................................... 28

3.3 Supercharging using mechanical driven unit .......................................................... 29

3.4 Turbocharging ....................................................................................................... 33

3.5 Pressure wave supercharging ................................................................................ 35

3.6 Combined supercharging ....................................................................................... 36

3.7 Conclusions ........................................................................................................... 38

4. Pressure wave supercharger. Functional principle. Construction. Optimization. . 39

4.1 History and applications ........................................................................................ 39

4.2 The working principle of pressure wave supercharger ............................................ 39

4.3 Description of constructive elements from a pressure wave supercharger .............. 40

4.4 Auxiliary systems .................................................................................................. 41

4.5 Constructive options ............................................................................................. 43

4.6 Constructive optimization of the pressure wave supercharger ................................ 44

5. Virtual environement analysis of compression-ignition internal combustion

engine performances ....................................................................................................... 49

5.1 Mathematical models used in thesis development ................................................. 49

5.2 Software used ....................................................................................................... 54


90

5.3 Conclusions ........................................................................................................... 58

6. Equipements, technics and procedures used in the experimental research ......... 59

6.1 The scope and objectives of the experimental research .......................................... 59

6.2 Working method of the experimental research ...................................................... 59

6.3 The test bed .......................................................................................................... 60

6.4 Pressure wave integration on the Renault K9K engine ............................................ 62

7. Experimental investigation and virtual simulation results conducted on the

Renault K9K engine ......................................................................................................... 64

7.1 Experimental investigation results ......................................................................... 64

7.2 Determination of optimum pressure wave supercharger speed .............................. 73

7.3 AVL Boost virtual model validation ........................................................................ 74

7.4 AVL Fire virtual model validation ........................................................................... 75

7.5 Virtual investigation of a combined supercharged engine, using a turbocharger and a

pressure wave supercharger .................................................................................................... 77

7.6 Experimental investigation results on the Renault K9K supercharged with optimized

pressure wave supercharger .................................................................................................... 78

8. Final conclusions. Original contributions. Future research directions. ................ 81

8.1 Final conclusions ................................................................................................... 81

8.2 Original contributions ............................................................................................ 82

8.3 Future research directions ..................................................................................... 82

References (selective) ........................................................................................... 83

Short abstract (Lb. Romana, Lb. Engleza) .............................................................. 86

CV (Lb. Romana, Lb. Engleza) ............................................................................... 87


7

1. Introducere, resurse energetice, transport si mediu

In industrie, forta motrice este energia, si este esențială pentru existenta.

Densitatea hidrocarburilor lichide este superioara celei continute in baterii, a

hidrogenului pur sau decât cea a biocombustibililor, din punct de vedere strict energetic.

Din aceste considerente, pentru mai mult de 100 de ani, hidrocarburile au fost soluția

optima pentru propulsia automobilelor, asigurându-și astfel succesul în acest domeniu si

tot odata utilizarea ei in sectorul transporturilor. Totuși, acestea din urma sunt resurse

fosile, epuizabile. Mai mult, utilizarea lor este parte integranta a acumularii de emisii de

CO2 în atmosferă, ceea ce generează probleme globale din punct de vedere al modificărilor

climatice. Pe langa aceast aspect, din arderea lor rezulta emisii nocive de CnHn, CO, NOx si

particule.

Capitolul de fata oferă o sinteză a resurselor fosile mondiale, precum si o descriere

actuală a sectorului transporturilor. In final, acesta se încheie cu efectele arderii

combustibilului asupra mediului precum si emisiile provenite din sectorul transportului

in lume. Tot in inchieiere, sunt prezentate tendintele, din punct de vedere al emisiilor, in

domeniul auto.

1.1 Problema globală

Faptul că ţările dezvoltate şi puternic industrializate consumă mai multă energie

pe cap de locuitor (65%) decât ţările în curs de dezvoltare sau cele din lumea a treia, este

o problema foarte cunoscuta la nivel global. Este cunoscut şi faptul că există o corelaţie

între standardele de viaţă ale unei ţări şi consumul său energetic. În general, cu cât este

mai ridicat standardul de viaţă, cu atât este mai mare şi consumul energetic [23, 25].

Fig. 1.1, Epuizarea rezervelor globale de petrol

cu o rată de creştere a consumului anual de 1,2%

Cu toate că piaţa internaţională a comerţului de petrol şi gaze naturale este în

floare şi deoarece nu sunt semne reale care să arate o reducere semnificativă a

consumului energetic global, rezervele estimate şi data limită sugerează că epuizarea


8

rezervelor de petrol şi gaze naturale va reprezenta o problemă majoră la jumătatea

secolului XXI [8, 28].

Gaura produsă în disponibilitatea şi furnizarea energiei şi combustibililor care a

avut loc în anii 1970 demonstrează impactul potenţial asupra societăţii. Estimările

efectuate în perioada anilor 1970 arătau, de exemplu, că rezervele globale de gaze

naturale se vor epuiza până în anul 1995. Descoperirea unor noi rezerve, îmbunătăţirea

semnificativă a metodelor de extracţie şi procesare a gazului natural, eficienţa crescută a

echipamentelor finale în utilizarea gazului şi nu în ultimul rând rata de utilizare anuală

mai scăzută decât cea estimată, au contribuit toate ca estimările anterioare să nu se

adeverească (Fig. 1.1). Totuşi, când vine vorba de cerinţele energetice globale şi de faptul

ca este nevoie de perioade îndelungate de timp pentru a reface rezervele de combustibili

fosili, trebuie luat în considerare faptul că pământul nu este o sursă infinită de petrol sau

gaze [10, 24].

1.2 Transporturile in secolul XXI si evolutia parcului auto

Consumul energetic în sectorul transporturilor include energia consumată pentru

transportul persoanelor și bunurilor/mărfurilor pe șosea, cale ferată, aer, apă și conducte.

Transportul rutier se referă la vehicule ușoare (autmobile, vehicule utilitare sport,

minivanuri, camioane mici, motociclete) și la vehicule grele (camioane mari utilizate

pentru transportul măfurilor și autobuze pentru transportul persoanelor). Factorii cheie

care determină cererea în sectorul transporturilor sunt creșterea populației și a activității

economice [2, 30].

Fig. 1.2, Consum energetic pe regiuni 2008-2035. [29]

Cererea pentru combustibili lichizi în sectorul transporturilor va crește rapid în

următorii 25 de ani în comparație cu alte sectoare. Creșterile estimate vor fi mult mai

puternice în țările non-OECD decât în cele OECD unde nivelul consumului energetic legat


9

privind sectorul transporturilor va rămâne relativ stabil sau va descrește, după cum se

ilustrează în figura 1.2 [1, 2].

Figura 1.3, Autoturisme: a) producția mondială, b) înregistrări noi mondial 2010. [2]

Parcul mondial de autovehicule depaseste in prezent 1 miliard de unitati.

Cresterea sa este rapida, astfel ca in anul 1991 numara 589 de milioane, in anul 2000

numara 713 milioane iar in 2010 numara mai mult de 920 de milioane de unitati.

Repartitia geografica este de asemenea importanta. In anul 2010, aceasta arata astfel:

Fig. 1.6, Repartitia geografica a numarului de automobile, 2010

Previziunile arata ca parcul de automobile va fi de 2.5 miliarde in anul 2060,

inregistrand cresteri de peste 70% in regiuni in care nivelul de motorizare este in prezent

relativ redus, precum Africa centrala, India, China, etc [3].

Raportul intre vehiculele utilitare si cele particulare este un indicator interesant,

deoarece primele sunt in general echipate cu motoare diesel si consuma motorina, iar

celelalte sunt in majoritate echipate cu motoare cu aprindere prin scanteie.

Autovehiculele se pot incadra in trei categori, in ceea ce priveste tipul sursei de

propulsie utilizata: motor diesel, benzina sau hybrid (benzina-electric).

300

210

70

320

20

0

50

100

150

200

250

300

350

Tari membreOCDE

SUA Europa de EST Tari in curs dedezvoltare

China

Nu

mar

au

tom

ob

ile


10

Fig. 1.8, Consumul de combustibil pentru diferite surse de propulsie [l/100km]

Reprezentarile din figura 1.8 arata ca un autovehicul care functioneaza dupa ciclul

cu comprimare are consumuri mai bune decat unul cu aprindere prin scanteie. In schimb,

cand intervine si motorul electric alaturi de cel Otto (autovehiculul hibrid), vehiculul

hibrid are un consum mai bun in oras, deoarece motorul Otto functioneaza in permanenta

in regim stabilizat. In cazul circulatiei in trafic extraurban sau pe autostrada,

autovehiculul hibrid devine unul clasic, sursa de propulsie principala fiind motorul

termic.

1.3 Resursele energetice folosite in domeniul auto

Oil&Gas Journal a raportat că rezervele dovedite de petrol la 1 Ianuarie 2011 sunt

estimate la 1471 miliarde de barili (cu aproximativ 9% mai mult decât estimările pe

2010). Conform US-Energy Information Administration, aproximativ 51% din rezervele

dovedite de petrol sunt localizate in Orientul Mijlociu, și aproape 79% rezervele mondiale

reale de petrol sunt concentrate în 8 țări după cum se arată în figura 1.9 [29].

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Diesel

Benzina

Hybrid

Autostrada Interurban Urban


11

Fig. 1.9, Rezervele dovedite de petrol pe țări [29].

Este indiscutabil faptul că petrolul este o resursă finită și că posibilitățile de

producție vor deveni limitate la un moment dat. Acest lucru a generat un subiect de

dispută încă de la sfârșitul anilor 1880, cand se punea problema atingerii varfului

productiei mondiale. O alarmă falsă a fost data de împărțirea rezervelor și a consumului

de petrol fără a lua în considerare impactul modificărilor de preț sau accesibilitatea

comercială la rezervele neconvenționale de-a lungul timpului. Termenul “dovedite”

reprezintă atât un concept geologic, cât și unul economic [27].

Biocombustibilii au anumite limite, care au fost recunoscute, iar Comisia

Europeană a stabilit ”Politica Energetică pentru Europa”, un plan care prevede

introducerea a 10% biocombustibili în produsele petroliere comercializate la pompă în

Uniunea Europeană pentru toate statele membre până în 2020. [5]

1.4 Influența arderii combustibililor asupra mediului

In 1850 s-a definit termenul “smog” pentru combinația de fum (“smoke”) de

cărbuni și ceață (“fog”) care apărea frecvent deasupra Londrei. In 1873 și 1911, smogul a

fost acuzat ca ar fi cauzat moartea a 700 (19 persoane au murit cazând accidental în

Tamisa din cauza vizibilității), respectiv a 1150 de persoane. Cel mai grav eveniment a

fost înregistrat în Londra în 1953, la începutul lunii decembrie, când din cauza unei

inversiuni termice și a unui front staționar, vântul nu a mai bătut (0km/h). Evenimentul

a fost numit “Big Smoke”, cauzând reducerea vizibilității la 0 și la moartea a 4000 de

persoane în interval de 5 zile. In urma acestui eveniment, Anglia a adoptat Actul Clean Air

în 1956.


12

Emisiile de CO2 și tendințele energetice din sectorul transporturilor sunt strâns

legate de creșterea populației și a veniturilor acesteia. Deși diferite țări și regiuni prezintă

modele diferite vis-a-vis de utilizarea energiei pe cap de locuitor și de tipurile de

combustibili utilizați, global, transportul depinde de petrol [19]. Biocombustibilii oferă

oportunități pentru reducerea seminficativă a cantității de CO2, dar cercetările

demonstrează până în acest moment, cu excepția etanolului din trestie de zahăr, că

valorile pe tonă de CO2 salvat sunt ridicate [9]. Ultimele date referitoare la eficiența

energetică a autovehiculelor noi arată că rata de îmbunătățire a crescut. În 2008 media

emisiilor de CO2/km a automobilelor noi era de 154 g. Valoarea aceasta este deasupra

obiectivului strabilit de 130 g CO2/km, dar arată o îmbunătățire față de anul 2007 (159 g

CO2/km) [10, 11].

Fig. 1.16, Emisiile CO2 pe diverse domenii

Figura 1.16 prezinta emisiile totale de CO2, corespunzatoare fiecarui domeniu in

parte. O valoare semnificativa de aproape 16% din total o au transporturile. Aici intra

emisiile emanate de autovehiculele personale dar precum si cele comerciale.

1.5 Cerinte privind consumul energetic si emisiile autovehiculelor

Pentru a realiza un consum redus de combustibil si emisii poluante mai reduse

provenite de la motoarele cu ardere interna, fara penalizari asupra performantelor, este

necesar sa se apeleze la toate solutiile noi de echipamente si sisteme disponibile si sa se

valorifice toate posibilitatile tehnice in vederea perfectionarii proceselor de formare a

amestecului si arderii, cu un randament cat mai ridicat.

Astfel, valori limita ale concentratiilor de CO, NOx, HC+NOx si PM din gazele arse

ale motoarelor cu ardere interna reglementate de Uniunea Europeana, ce fac referire la

standardele de poluare EURO1, 2, 3, 4, 5 si 6 pot fi analizate in tabelul 1.12.

Tabelul 1.12, Valorile limita pentru normele de poluare

Norma de

poluare

Data

intrarii in

vigoare

(an/luna)

Valori limita [g/km]

CO NOx HC+NOx PM


13

EURO 1 1992/07 2.72 - 0.97 0.14

EURO 2, ID 1996/01 1.0 (63.24%) - 0.70 (27.84%) 0.08 (42.86%)

EURO 2, IID 1996/01 1.0 (63.24%) - 0.90 (7.22%) 0.10 (28.57%)

EURO 3 2000/01 0.64 (36%) 0.5 0.56 (37.78%) 0.05 (50%)

EURO 4 2005/01 0.50 (21.88%) 0.25 (50%) 0.30 (46.43%) 0.025 (80%)

EURO 5 2009/09 0.50 (0%) 0.18 (28%) 0.23 (23.33%) 0.005 (80%)

EURO 6 2014/09 0.50 (0%) 0.08 (55.56%) 0.17 (26.09%) 0.005 (0%)

* valorile din paranteze reprezinta procentul reducerii emisiei poluante nou implementata fata de

cea din standardul de poluare anterior;

* incepand cu data 30.09.1999 motoarelor cu injectie indirecta (IID) li s-au impus valorile limita

ale emisiilor poluante chimice corespunzatoare motoarelor cu injectie directa (ID);

* incepand cu luna 01/2011 norma de poluare EURO 5 se aplica la toate modelele.

In ceea ce priveste consumul de carburant al autovehiculelor, acesta s-a ameliorat

in ultimii ani, ajungandu-se chiar pana la valori de 3l/100 km.

Marirea eficientei motoarelor de automobile pentru utiliza cat mai bine

combustibilul si a produce cat mai putine emisii poluante presupune cresterea

performantelor acestora, care se poate realiza prin mai multe solutii:

- ameliorarea parametrilor energetici ai ciclului motor;

- majorarea puterii pe unitate de cilindree prin supraalimentare;

- utilizarea de combustibili cu putere energetica mare;

- diminuarea pierderilor mecanice din sistemele motorului;

- antrenare cu surse energetice alternative a sistemelor auxiliare ale motorului;

Fig. 1.20, Evolutia puterii specifice a m.a.i pentru autovehicule (evaluare pe 105 motoare)

Figura 1.20 prezinta evolutia puterii specifice in intervalul 1970-2012, pentru

motoarele cu aprindere prin comprimare aspirate natural sau supraalimentate. Evolutiile

din ultimii ani in ceea ce priveste puterea specifica, indica faptul ca motoarele cu ardere

0

20

40

60

80

100

120

1970 1976 1982 1988 1994 2000 2006 2012

Pu

tere

a s

pe

cifi

ca [

kW

/dm

3]

Anul


14

interna folosesc din ce in ce mai eficient carburantul. Datorita acestui fapt, consumul

specific de carburant, in aceleasi conditii de sarcina si functionare, a scazut.

1.6 Concluzii

Consumul resurselor provenite din combustibili fosili in lume, este in crestere.

Aceste resurse, fosile, sunt limitate. De aceea, este necesar sa se reduca consumul de

carburant.

Emisiile sunt in crestere. Deseori provoaca degradarea mediului si produc

imbolnaviri globale. Acestea pot fi diminuate prin ameliorarea proceselor de ardere,

reducerea consumului specific de carburant si utilizarea unor carburanti alternativi, care

sa contina oxigen in structura moleculara (biocarburanti sau combustibili sintetici de

generatia a doua).


15

2. Analiza posibilitatilor tehnice de imbunatatire a

performantelor motoarelor cu aprindere prin comprimare

Dupa ce se realizeaza o evaluare a parametrilor ciclurilor m.a.i., sunt analizati

cativa factori care influenteaza in mod direct performantele motoarelor cu ardere interna

cu aprindere prin comprimare. Acestia sunt:

- ciclul dupa care functioneaza motorul cu ardere interna;

- factorii de stare - presiunea aerului;

- temperatura aerului;

- umiditatea aerului;

- factorii functionali - turatia motorului;

- parametri agentului de racire si a lubrifiantului;

- presiunea la sfarsitul admisiei (supraalimentarea);

- factorii constructivi - raportul de comprimare;

- raportul cursa/alezaj;

- numarul de cilindri;

- arhitectura camerei de ardere;

In urma analizei facute asupra resurselor energetice, transporturilor, emisiilor

poluante si a evaluarii tendintelor care se manifesta in domeniu, in lucrare sunt studiate

posibilitatile de majorare a parametrilor energetici si ecologici ai m.a.i. prin

supraalimentare.

2.1 Analiza ciclurilor motoarelor cu aprindere prin comprimare

Analiza ciclurilor isi propune sa evidentieze de principiile care le guverneaza,

precum si limitele celor reale si teoretice.

2.1.1 Ciclul cu ardere mixtă (diesel rapid)

Ciclul cu ardere mixtă este specific m.a.c. rapide pentru automobile. Din cauza

timpului scurt de injecție, întârzierea la autoaprindere a combustibilului impune un avans

la injecţie, care se traduce în fapt printr-o ardere iniţială în apropiere de p.m.i. ce poate fi

asimilată cu arderea izocoră. Restul combustibilului arde pe măsura injectării lui,

realizând în această etapă o ardere izobară, dupa cum se poate observa in figura 2.1.


16

(a)

(b)

Fig. 2.1, Ciclul ideal al unui motor diesel rapid (a)

ciclul real al unui motor diesel rapid (b) [33]

in care: da – deschiderea supapei de admisie, ie – inchiderea supapei de evacuare, ia –

inchiderea supapei de admisie, de – deschiderea supapei de evacuare;

2.1.2 Ciclul cu ardere mixta, supraalimentat

Supraalimentarea unui motor cu ardere internă asigura majorarea masei aerului

proaspăt introdus în cilindri. Ca urmare a cresterii masei de aer proaspat este necesar sa

se mareasca si cantitatea de combustibil oferita ciclului. Ca urmare, presiunea medie

indicata a ciclului se va majora.

Supraalimentarea - naturala (supraalimentare acusticǎ)

- cu agregat

Antrenare - mecanicǎ

- electrica

- cu turbinǎ cu gaze

- mixtǎ

Agregat - compresor volumetric rotativ: – cu palete

- cu rotor profilat

- de tip G

- compresor dinamic: - axial

- centrifugal

- compresor cu unde de presiune

Ciclul teoretic al unui motor supraalimentat este prezentat in figura 2.2.


17

Fig. 2.2, Ciclul mixt cu supraalimentare [34]

În cazul motoarelor cu ardere mixtă, evacuarea se efectuează după curba 4-6, deci

nu se utilizează complet căldura disponibilă. (Figura 2.2).

Aria haşurată ”456” din diagrama p-V reprezintă lucrul mecanic suplimentar care

poate fi folosit pentru antrenarea dispozitivului de supraalimentare. La acest ciclu cu

destindere prelungită lucrul mecanic obţinut suplimentar se datoreaza măririi volumului

în procesul destinderii, proces care continuă să se desfășoare în rețeaua de palete a

turbinei cu gaze (sau a compresorului cu unde de presiune), după curba 4-5.

2.1.3 Ciclul de ardere de tip Atkinson-Miller

In urma evaluarii ciclurilor teoretice, dupa care functioneaza m.a.i., rezulta ca

lucrul mecanic dezvoltat de acestea creste odata cu majorarea perioadei de destindere,

deci a intervalului in care gazele arse actioneaza asupra pistonului, aflat in cursa

descendenta. Aceasta posibilitate este oferita de ciclul Atkinson.

Primul inginer care întroduce în practică această idee, prin adoptarea unor curse

de destindere şi evacuare diferite, este Atkinson J.,în anul 1886 [56].

Fig. 2.3, Diagrama teoretica a ciclului Atkinson/Miller


18

Ciclul Miller vine ca o completare a ciclului Atkinson, el fiind caracterizat prin

cresterea intarzierii la inchidere a supapei de admisie, faţă de ciclurile reale. Ca efect, o

parte din aerul admis în cilindrii, este refulat înapoi în galeria de admisie în prima parte a

cursei de comprimare, când supapa de admisie este deschisă încă. Comprimarea propriu-

zisă începe, aşadar, numai după ce supapa de admisie se va închide [57].

2.2 Influenta factorilor de stare asupra performantelor motoarelor

Performanta energetica a unui motor cu ardere interna, aspirat natural, depinde

in mare masura de calitatea aerului admis (presiune, temperatura, umiditate). Aceste trei

marimi de stare ale aerului, influenteaza in mod direct densitatea acestuia.

Influenta acestor parametri asupra presiunii maxime a ciclului si lucrului mecanic

indicat ale unui motor cu aprindere prin comprimare aspirat natural, se pot observa in

graficele din figurile 2.4 si 2.5.

In figura 2.4 se pot observa influentele presiunii atmosferice asupra parametrilor

ciclului indicat.

Fig. 2.4, Influenta altitudinii asupra diagramei indicate

1: presiune 0 m altitudine, 1013.2 mbar, T = 20° C

2: presiune la 1000 m, 898.8 mbar, T = 20° C

3: presiune la 2000 m, 797.9 mbar, T = 20° C

In cazul in care temperatura ramane constanta iar presiunea atmosferica se

modifica in functie de inaltime, presiunea maxima din cilindru scade de la 81 bar (la

nivelul marii) la 62 bar (pentru altitudinea de 2000m), iar lucrul mecanic indicat al

ciclului scade cu 9%.


19

Fig. 2.5, Influenta temperaturii atmosferice asupra diagramei indicate

T1 = 45° C, p = 1013.2 mbar

T2 = -15° C, p = 1013,2 mbar

Graficul din figura 2.5 ilustreaza faptul ca odata cu incalzirea aerului aspirat scade

performanta motorului, in conditiile in care presiunea ramane neschimbata. Pentru o

variatie a temperaturii de 60 grade, presiunea maxima din cilindru scade de la 81 bar

(pentru -15° C) la 77 bar (pentru 45° C). Lucrul mecanic indicat se micsoreaza in acest caz

cu 1%. Aceasta influenta a temperaturii nu este semnificativa, performantele motorului

diminuandu-se foarte putin.

2.3 Influenta factorilor functionali asupra performantelor motoarelor

2.3.1 Turatia motorului

Puterea dezvoltata de motoarele cu ardere interna este influentata de mai multi

parametri. Relatia dintre acesti parametri, este:

𝑃𝑒 = 𝑓(𝑄𝑖𝑛𝑓

𝐿𝑚𝑖𝑛⁄ ,

𝜂𝑖𝜆⁄ ,

1𝜏⁄ ∙ 𝜌0, 𝜂𝑉 , 𝑉𝐻, 𝑛) (2.15)

in care avem: puterea calorica interioara (Q_inf), cantitatea minima de aer necesara

arderii cantitatii de combustibil injectat (𝐿𝑚𝑖𝑛), randamentul indicat (𝜂𝑖), coeficientul de

exces de aer (λ), numarul de timpi ai motorului (𝜏), densitatea aerului aspirat (ρ0),

coeficientul de umplere (ηV), cilindreea totala (Vh), turatia motorului (n).

Daca toti termenii din ecuatia (2.15) raman constanti, atunci odata cu marirea

turatiei puterea creste proportiona. In realitate, majorarea turatiei duce la crestrea vitezei

pistonului si deci a pierderilor mecanice, intensificarea regimului termic si micsorarea

densiatii aerului urmare a incalzirii mai pronuntate pe traseul de admisie, diminuarea

timpului pentru formarea amestecului. In plus, odata cu marirea turatiei, coeficientul de

umplere se micsoreaza si miscarea aerului din cilindru se intensifica.


20

2.3.2 Sarcina motorului

La motoarele cu aprindere prin comprimare variatia sarcinii se realizeaza prin

modificarea cantitatii de combustibil care se injecteaza pe ciclu (ΔGg), pentru o cantitate

de aer constanta introdusa pe ciclu. Rezistentele gazo-dinamice ale sistemului de admisie

nu depind de sarcina (la o turatie constanta). Asupra coeficientului de umplere la

motoarele cu aprindere prin comprimare, la modificarea sarcinii influenteaza numai

incalzirea aerului. La marirea sarcinii din cauza degajarii unei cantitati mai mari de

caldura creste regimul termic al motorului, aerul care patrunde in cilindru se incalzeste

mai intens iar coeficientul de umplere se micsoreaza.

2.3.3 Parametrii sistemelor de racire si lubrifiere

Pierderile de caldura prin peretii camerelor de ardere ajung, in functie de marimea

si conditiile de exploatare ale motorului, la 10 – 25%.

Temperatura camerei de ardere este controlata de lichidul de racire. Caldura

transferata de la gaz la pereti este cu atat mai redusa cu cat temperatura medie a peretilor

camerei de ardere (Tmp) este mai mare:

𝑄𝑟 = 𝛼1 ∙ 𝐹(𝑇𝑔 − 𝑇𝑚𝑝) (2.20)

unde: 𝛼1 – coeficientul de transmitere a caldurii; F – suprafata peretilor camerei de

ardere; Tg – temperature gazelor.

Cresterea temperaturii agentului de racire atrage dupa sine o majorare a regimului

termic a peretilor camerei de ardere si incarcaturii proaspete. Aceasta se constata ca

urmare a faptului ca diferenta de temperature (Tg - Tmp) nu scade pe masura asteptarilor

in timpul arderii si destinerii.

2.4 Influenta factorilor constructivi asupra performantelor motoarelor

2.4.1 Raportul de comprimare

Randamentul termic (ηt) al ciclului cu ardere mixta, dupa care functioneaza

motoarele cu aprindere prin comprimare pentru autovehiule, este influentat direct de

raportul de comprimare (ε):

𝜂𝑡 = 1 −1

𝜀𝑥−1∙

𝜋𝜌𝑘 − 1

(𝜋 − 1) + 𝑥𝜋(𝜌 − 1) (2.21)

in care: x – exponentul adiabatic; π – raportul de crestere a presiunii; ρ – gradul de

destindere prealabila.

Influenta raportului de comprimare asupra randamentului termic este evaluata in

figura 2.10. Prin majorarea lui de la 14 la 18, presiunea maxima din cilindru creste de la

105 bar la 124 bar, lucrul mecanic indicat imbunatatindu-se cu 11%.


21

Fig. 2.10, Influenta raportului de comprimare asupra presiunii din cilindru

2.4.2 Raportul cursa/alezaj

Influenta raportului cursa/alezaj (S/D) asupra performantelor motoarelor

moderne pentru autovehicule este destul de complexa.

Schimbarea raportului S/D influenteaza si pierderile de caldura prin suprafata

camerei de ardere. Cerecetarile efectuate [30, 99, 100] pun in evidenta modificarea

indicilor efectivi ai motorului in functie de schimbarea raportului S/D la D = constant si

Wmp = constant, la Vh = constant si n = constant si la S = constant si n = constant.

Fig. 2.11, Influenta alezajului asupra

performantelor

Vr – varianta de referinta, D = 76 mm

V1 – varianta 1, D = 80 mm, V2 – varianta 2, D

= 70 mm

Fig. 2.12, Influenta cursei asupra

performantelor

Vr – varianta de referinta, S = 80.5 mm

V1 – varianta 1, S = 70.5 mm, V2 – varianta 2,

D = 90.5 mm

2.4.3 Numarul de cilindri

O problema interesanta si complexa o reprezinta alegerea numarului optim de

cilindri ai motorului la o cilindree data.

α [°RAC]


22

Din analiza factorului de compartimentare reiese ca marirea numarului de cilindri

este o masura pentru diminuarea solicitarilor si pierderilor mecanice. Conceperea

motoarelor cu un numar mai mare de cilindri de capacitate mai mica duce la scaderea

maselor in miscare alternativa si de rotatie si la imbunatatirea randamentului mecanic

(fig. 2.13) [61].

Fig. 2.13, Influenta capacitatii cilindrice asupra randamentului mecanic

Prin majorarea numarului de cilindri, la o capacitate cilindrica data se obtin:

- mai multe posibilitati pentru echilibrarea fortelor de inertie si a momentelor lor;

- imbunatatirea uniformitatii momentului motor;

- usurarea pornirii motorului.

Numarul de cilindri, la un motor cu capacitate cilindrica data, este limitat de

gabaritul fiecarui cilindru si de posibilitatea de a realiza un sistem de distributie simplu si

cu pierderi mecanice minime.

2.4.4 Influenta proprietatilor fizico-chimice ale combustibililor asupra

performantelor

Proprietatile fizico-chimice ale combustibilului exercita o influenta deosebita

asupra proceselor de formare a amestecului si arderii. Astfel, la valori ridicate ale cifrei

cetanice se scurteaza perioada de intarziere la autoaprindere si temperatura de

autoaprindere, iar motorul are o functionare silentioasa [26, 82, 111].

Reducerea cifrei cetanice sub 45 – 50 conduce la o inrautatire a calitatilor de

pornire, functionarea motorului cu gradienti mari de crestere a presiunii si cu mult fum,

precum si intensificarea formarii de depozite carbunoase in camera de ardere.

Motorinele cu cifre cetanice mai mari de 60 – 65 conduc la consumuri specifice de

combustibil mari, au temperaturi de congelare relativ ridicate si calitati de lubrifiere

diminuate.


23

Rezulta ca cifra cetanica a combustibililor pentru motoarele cu aprindere prin

compresie trebuie sa nu fie cuprinsa intre 45 – 55 unitati, valoarea optima fiind functie de

tipul motorului si de conditiile de functionare ale acestuia [115].

2.5 Concluzii privind analiza solutiilor constructive

În urma studiului efectuat asupra motoarelor cu ardere internă, rezulta

următoarele aspecte:

- Motoarele cu ardere internă reprezintă pilonul principal în domeniul

transporturilor, contribuind astfel la dezvoltarea industriei;

- Diversitatea soluţiilor constructive ale motoarelor cu ardere internă, acoperă

nevoile populaţiei, indiferent de poziţionarea ei pe mapamond, ele fiind adaptate atât

la sursele de carburant existente, cât şi la condiţiile climatice din zona în care sunt

exploatate;

- Raportul dintre consumul şi disponibilitatea resurselor energetice la nivel global,

indică un deficit al acestora din urma. O solutie pentru a creste perioada de exploatare

a combustibililor fosili este aceea a reducerii consumului de carburanti a mijloacelor

de transport. De aici, solutiile tehnice care trebuie concepute pentru m.a.i.

2.6 Obiectivele si etapele dezvoltarii lucrarii

2.6.1 Definirea temei si structura lucrarii

Lucrarea de fata are ca tema acordarea unui sistem de supraalimentare cu unde de

presiune cu un motor cu ardere interna cu aprindere prin comprimare, modern.

Având în vedere faptul că omogenizarea amestecului de combustibil, în cazul

motoarelor cu aprindere prin comprimare, are în componență doi parametrii esenţiali:

aerul şi combustibilul, care se întâlnesc în interiorul camerei de ardere, se observă astfel

posibilitatea de a acţiona asupra unuia dintre aceştia. Ameliorarea unuia dintre parametri

enumerati, atrage dupa sine si ameliorarea celui de-al doilea, in vederea imbunatatirii

performantelor energetice si ecologice.

Mergand pe linia imbunatatirii aportului de aer adus unui motor cu ardere interna

cu aprindere prin comprimare, teza a fost structurata conform urmatoarelor capitole:

- In capitolul 1 au fost trecute in vedere rezervele mondiale de petrol, structura si

marimea parcului auto precum si emisiile poluante provenite din transporturi;

- Capitolul 2 constituie un studiu critic asupra performantelor motoarelor cu

ardere interna cu aprindere prin comprimare, a ciclurilor acestora precum si a

cailor de optimizare a performantelor;


24

- In urma concluziilor capitolelor 1 si 2, capitolul 3 face o introducere in sistemele

de supraalimentare folosite pentru motoarele de automobile, precum si selectia si

justificarea celui cu unde de presiune;

- Capitolul 4 descrie elementele principale ale unui compresor cu unde de presiune,

expune principiul de functionare al acestuia, precum si avantajele si dezavantajele

lui. Mergand pe linia dezavantajelor, cateva imbunatatiri constructive au fost

aduse unui agregat de tip Comprex, pentru a-i elimina o parte din neajunsuri.

Aceste modificari sunt prezentate in prezentul capitol, si analizate mai apoi in

mediu virtual sau experimental.

- In Capitlul 5 sunt efectuate o serie de simulari virtuale referitoare la procesele din

motoarele cu aprindere prin comprimare supraalimentate cu agregat cu unde de

presiune, la acordarea unui astfel de agregat cu motorul cu ardere interna precum

si la fenomenele dinamice din agregat. Capitolul 5 contine de asemenea si

descrierea soft-urilor de simulare precum si modelele matematice folosite.

- In capitolul 6 sunt prezentate echipamentele de masura folosite in investigatiile

experimentale, precum si motorul cu ardere interna montat pe stand. Aici, se mai

gasesc si constructia si modul de acordare a supraalimentatorului cu unde de

presiune cu motorul cu ardere interna.

- Capitolul 7 prezinta pe larg rezultatele simularilor virtuale precum si cele

obtinute prin investigatii experimentale. Sunt validate modelele de analiza folosite,

si sunt puse in evidenta avantajele si dezavantajele optimizarilor aduse pe cale

experimentala agregatului cu unde de presiune;

- In Capitolul 8 sunt prezentate concluziile finale, contributiile personale si

directiile viitoare de cercetare.

2.6.2 Obiectivele lucrarii

In urma analizei efectuate asupra energiei, mediului si emisiilor poluante, dar si a

solutiilor tehnice de motoare cu ardere interna, lucrarea de fata trateaza obiectivele

mentionate in cele ce urmeaza.

Problema globala care se pune la momentul actual este reducerea utilizarii

combustibililor fosili, deoarece acestia din urma sunt in scadere continua. In ritmul actual

de consum, conform figurii 1.1, rezervele nu ne ajung mai mult de anul 2025. Daca reusim

prin diverse metode sa reducem consumul resurselor fosile, rezervele ne vor putea ajunge

pana in anul 2050. In acest context, primul obiectiv trasat a fost trasarea unei vederi de

ansamblu asupra resurselor energetice, consumului, emisiilor, transporturilor.

Concluzia primului capitol a fost urmatoarea: este necesar sa imbunatatim

performanta motoarelor cu ardere interna, pentru a reduce consumul de carburant si

emisiile poluante. Din aceasta concluzie, trasam al doilea obiectiv, si acela de a analiza

potentialul de imbunatatire al performantelor unui motor cu aprindere prin

comprimare, inclusiv analiza ciclurilor.


25

In urma analizei mai sus mentionate, s-a ajuns la concluzia ca un motor

supraalimentat, de orice natura, prezinta caracteristici de cuplu si putere imbunatatite,

precum si un consum de carburant mult redus, fata de unul aspirat natural. Plecand de la

aceasta premiza, urmator obiectiv va fi analiza posibilitatilor tehnice de realizare a

supraalimentarii motoarelor cu ardere interna. Acest obiectiv are ca scop,

evidentierea avantajelo dar si a dezavantajelor diferitelor agregate de supraalimentare.

Dupa analiza solutiilor tehnice de realizare a supraalimentarii, s-a ajuns la

urmatoarea concluzie: compresorul cu unde de presiune prezinta cele mai bune

caracteristici de cuplu si putere in conditiile unui consum de combustibil redus, la turatii

mici si medii. De aici, acordarea unui motor cu ardere interna cu aprindere prin

comprimare cu agregatul de supraalimentare cu unde de presiune este necesar sa se

realizeze in conditii optime.

Acordarea compresorului cu unde de presiune cu motorul cu ardere interna este o

operatiune importanta. Inainte de efectuarea acestei operatiuni, este necesara efectuarea

unor simulari virtuale, pentru a identifica zona in care se incadreaza turatiile

compresorului. In acest sens, conceperea modelelor matematice pentru arderea in

motorul cu ardere interna si pentru functionarea compresorului cu unde de

presiune, au reprezentat un obiectiv solid al tezei.

Dupa identificarea turatiilor in care se incadreaza compresorul cu unde de

presiune, se trece la echiparea efectiva a motorului din componenta standului Horiba cu

un agregat cu unde de presiune. Agregatul cu unde de presiune folosit este de tip Comprex

CX-93, provenit de pe un autoturism Mazda, fabricat in anul 1990. Realizarea structurii

echipamentelor pentru cercetarea experimentala reprezinta urmatorul obiectiv al

tezei.

Achizita si prelucrarea datelor experimentale reprezinta un punct vital in

dezvoltarea tezei. Senzorii de presiune, temperatura si viteza aer trebuiesc montati,

calibrati si configurati in interfata de lucru a standului de incercari.

Dupa configurarea senzorilor si a aparaturii de masurare, se trece la cercetarea

comportamentului motorului supraalimentat cu compresor cu unde de presiune.

Sunt trasate curbele de cuplu si putere, in concordanta cu cele de consum. Inainte de acest

pas, au fost efectuate masuratori complete pe motorul din componenta standului in

configuratia aspirat natural, pentru a avea cateva valori de referinta si a evidentia

avantajul supraalimentarii.

Performantele agregatului cu unde de presiune, in special la turatii scazute ale

motorului, sunt notabile. Cu toate acestea, agregatul prezinta potential de imbunatatire,

conform simularilor efectuate. In acest sens, optimizarea constructiva a agregatului cu

unde de presiune a fost facuta pe baza unui set de simulari efectuat in prealabil.

Optimizarea constructiva, presupune confectionarea unui nou arbore si montarea de


26

rulmenti clasici, modificarea unghiurilor ferestrelor carcasei de evacuare precum si

modificarea defazajului dintre carcasa de evacuare si cea de admisie, a compresorului.

Urmatorul pas, dupa culegerea datelor experimentale, il constituie calibrarea

modelelor virtuale efectuate in AVL Boost si AVL Fire, ambele softuri in versiune 2010.

Modele virtuale realizate inainte de efectuarea investigatiilor experimentale, prezinta

cateva mici neregularitati, datorita coeficientilor si parametrilor din program. Acesti

parametri, au fost adaptati ulterior, pe baza informatiilor experimentale.

Evaluarea limitelor energetice si ecologice a motorului cu aprindere prin

comprimare constituie urmatoarea etapa. Dupa acordarea agregatului cu unde de

presiune, trebuiesc investigate performantele maxime ale motorului, in vederea

evidentierii variantelor optime ale solutiilor imbunatatite ale agregatului cu unde de

presiune.

In final, s-a trecut la formularea unor concluzii si pareri personale referitoare

la toate aspectele tratate, care in final pot fi utile pentru cercetari, dar si nu numai. Tot

aici, au fost indicate cateva directii viitoare in care se pot indrepta cercetarile, din punct

de vedere al autorului tezei.


27

3. Studiul sistemelor de supraalimentare folosite la m.a.i.

pentru automobile

3.1 Introducere

Scopul supraalimentării unui motor cu ardere internă este creşterea densităţii

amestecului proaspăt introdus în cilindri. Această creştere a densităţii va determina

creşterea masei amestecului proaspăt cuprins în cilindri, iar acest lucru produce o

creştere a puterii motorului [49].

În figura 3.1 se prezintă comparativ, ciclurile teoretice în coordonate p-V a unui

motor cu aprindere prin comprimare (m.a.c.) în 4 timpi, aspirat natural, respectiv

supraalimentat.

a) m.a.c. aspiraţie naturală b) m.a.c. supraalimentat

Fig. 3.1. Ciclul teoretic al unui m.a.c. [33]

La motorul supraalimentat, lucrul mecanic consumat pentru umplerea cilindrului

(suprafaţa 0-1-7-8) este pozitiv, iar la motorul cu aspiraţie naturală, acelaşi lucru

mecanic este negativ, deoarece presiunea de admisie este mai mică decât cea

atmosferică (pat). Se mai poate observa că presiunea maximă a ciclului este mai mare la

motorul supraalimentat decât la cel cu aspiraţie naturală. Privind comparativ cele 2

grafice este evident că lucrul mecanic efectiv, respectiv Lme, este mai mare în cazul

motorului supraalimentat.

3.1.2 Clasificarea procedeelor de supraalimentare

In sub-capitolul 2.1 au fost analizate ciclurile motoarelor cu ardere interna, printre

care si ciclul motorului supraalimentat. Aici au fost expuse criteriile de clasificare a

procedeelor de supraalimentare.

Tipurile supraalimentarii, in functie de presiunea aerului furnizat motorului, se

pot clasifica dupa urmatoarele criterii [49]:


28

Tipul supraalimentării Psa [bar] 𝝅𝒔𝒂

aspiraţie naturală 0 şi < 0 1 şi < 1

joasă 0,0 ÷ 0,5 1,0 ÷ 1,5

medie 0,5 ÷1 1,5 ÷2

înaltă 1 şi > 1 2 şi > 2

3.2 Supraalimentarea acustica

Supraalimentarea acustică se realizează fără ajutorul unui agregat de

supraalimentare, creşterea presiunii datorându-se fenomenelor dinamice care au loc în

timpul admisiei amestecului proaspăt în cilindru [46].

În figura 3.3. se prezintă influenţa turaţiei asupra coeficientului de umplere ( ηv)

pentru un motor cu 6 cilindri şi o cilindree totală de 3500 cm3. În cazul a) s-a considerat

lungimea colectorului de admisie constantă (Lca = 600 mm), iar în cazul b) s-a considerat

diametrul colectorului de admisie constant (Dca = 40 mm). [1]

Analizând graficele din figura 3.3. se pot trage următoarele concluzii:

pentru un colector de admisie cu diametrul constant, coeficientul de umplere scade

cu creşterea turaţiei;

pentru un colector de admisie cu diametrul constant, coeficientul de umplere atinge

un maxim la o turaţie mai scăzută cu cât lungimea colectorului este mai mare;

pentru un colector de admisie de lungime constantă, coeficientul de umplere atinge

un maxim la o turaţie mai scăzută cu cât diametrul colectorului este mai mic.

a) b)

Fig. 3.3 Influenţa turaţiei motorului asupra

coeficientului de umplere pentru diferite colectoare de admisie [49]

Deschiderea bruscă a supapei de admisie produce o undă de presiune negativă

care va parcurge colectorul de admisie cu viteza sunetului. Când unda negativă ajunge la

capătul colectorului se reflectă în atmosferă şi se întoarce spre poarta supapei ca undă


29

pozitivă de presiune. În momentul în care unda de presiune pozitivă ajunge în poarta

supapei se reflectă din nou ca undă de presiune negativă, însă cu o amplitudine mai mică

decât cea iniţială datorită frecărilor. Procesul se repetă până la amortizarea completă a

oscilaţiilor.

3.3 Supraalimentarea cu agregat antrenat mecanic

În sub-capitolul 3.1 s-a făcut o împărţire a tipurilor de supraalimentare având

drept criteriu de clasificare agregatul de supraalimentare. După cum s-a subliniat în

cadrul sub-capitolului 3.2, la supraalimentarea acustică nu se foloseşte nici un agregat

pentru creşterea presiunii amestecului proaspăt introdus în cilindri, însă la celelalte tipuri

de supraalimentare se utilizează un agregat specializat. Antrenarea agregatului poate

fi mecanică, electrică, sau cu turbină cu gaze. Există cazuri când supraalimentarea este

realizată cu mai multe agregate, unele fiind antrenate mecanic, iar altele cu ajutorul

gazelor de evacuare.

3.3.1 Agregate de supraalimentare cu palete tangenţiale

Agregatele de supraalimentare cu palete se caracterizează prin simplitate

constructivă, însă performanţele acestui tip de agregat nu sunt foarte bune datorită

scăpărilor mari de aer [46].

În figura 3.9 se prezintă un agregat de supraalimentare cu palete tangenţiale.

Principalele componente ale agregatului sunt: 1 - carcasa exterioară; 2 - palete; 3 -

fereastră de evacuare a aerului comprimat; 4 - rotor excentric; 5 - fulie de antrenare.

Fig. 3.9, Agregat de supraalimentare cu palete tangenţiale [49]

Agregatul este acţionat direct de la motor prin intermediul unei curele dinţate ce

antrenează fulia 5. Paletele împart spaţiul dintre carcasă şi rotor în patru celule. Datorită

poziţionării excentrice a rotorului faţă de carcasă, în timpul antrenării agregatului

volumul cuprins între două palete se micşorează, comprimând aerul. Paletele sunt

dispuse pe o direcţie tangenţială pentru a micşora solicitările mecanice şi frecarea

dintre acestea şi carcasă. Procesele şi modul de funcţionare a agregatului se pot urmării

în figura 3.10:


30

3.3.2 Agregate de supraalimentare cu rotoare profilate

3.3.2.1 Agregat de supraalimentare de tip Roots

Agregatul de supraalimentare de tip Roots este un compresor volumetric cu 2

rotoare care se rotesc cu aceeaşi turaţie, dar în sensuri opuse. În timpul rotaţiei, rotoarele

nu sunt în contact unul cu altul şi nici cu carcasa agregatului. Distanţele dintre cele 2

rotoare şi dintre rotor şi carcasă sunt de 0,1 ÷ 0,2 mm. Rotorul poate avea 2 sau 3

lobi. Principalele componente ale unui agregat de supraalimentare de tip Roots sunt

prezentate în figura 3.17.:

Fig. 3.17, Agregat de supraalimentare de tip Roots [46, 49]

In care: 1 - fulie de antrenare; 2 - roată dinţată; 3 - pinion; 4 - carcasă; 5 - fereastră de

evacuare; 6 - rotor; 7 - lobi.

La compresorul Roots cu rotoare cu 3 lobi, scăpările de aer datorate

neetenşeităţiilor sunt mai mici decât la cel cu 2 lobi, iar presiunea de refulare este mai

uniformă, deoarece la o rotaţie completă a rotorului vom avea trei descărcări în loc de

două.

3.3.2.2 Agregat de supraalimentare de tip Sprintex (sau “surub”)

Acest tip agregat are în componenţa sa 2 rotoare profilate, însă ele nu au aceeaşi

formă, după cum se poate vedea şi în figura 2.30. Astfel, un rotor are patru lobi convecşi,

iar celălalt şase lobi concavi. Ambele rotoare sunt spiralate, astfel încât să nu existe

contact între ele. De asemenea cele 2 rotoare nu sunt în contact nici cu carcasa agregatului.

Rotoarele sunt realizate din aliaje de magneziu îmbrăcate în teflon, iar distanţele dintre

ele sunt de 50 ÷ 100 µm. Raportul de transmitere dintre pinionul care antrenează rotorul

concav şi roata dinţată a rotorului convex este de 2:3. Agregatul este antrenat de la motor

cu o curea dinţată prin intermediul unei fulii care se află pe acelaşi arbore cu rotorul

concav.


31

Fig. 3.25, Agregat de supraalimentare de tip Sprintex [49, 50]

In care: 1 - fulie de antrenare; 2 - roţi dinţate; 3 - fereastră de admisie; 4 - carcasă

exterioară; 5 - rotor cu şase lobi concavi; 6 - rotor cu patru lobi convecşi; 7 – rulmenţi.

Din aceeaşi familie de agregate fac parte şi compresoarele Lysholm. Spre deosebire

de compresoarele Sprintex, agregatele Lysholm au rotoare cu trei şi cinci lobi, iar admisia

aerului se face axial.

3.3.3 Alte agregate de supraalimentare cu antrenare mecanică

3.3.3.1 Agregat de supraalimentare de tip G

Acest tip de agregat de supraalimentare este format din două semicarcase

despărţite de un disc care realizează o mişcare plan-paralelă. Discul este montat pe un

arbore excentric, iar mişcarea plan-paralelă este realizată cu ajutorul unui arbore

secundar. Arborele principal antrenează arborele secundar cu ajutorul unei curele

dinţate. Cei doi arbori au aceeaşi excentricitate şi se rotesc cu aceeaşi turaţie. Atât

semicarcasele cât şi discul prezintă câte doi pereţi în formă de spirală care delimitează

camerele în care evoluează fluidul de lucru. Pereţii semicarcaselor şi cei ai discului mobil

se intercalează, iar camerele formate sunt etanşate cu ajutorul unor garnituri, (fig. 3.30).

Fig. 3.30, Componentele principale ale unui agregat de supraalimentare de tip G [49]


32

in care: 1 - semicarcasă stânga; 2 - semicarcasă dreapta; 3 - admisie amestec proaspăt; 4

- evacuare amestec comprimat; 5 - pereţi spiralaţi semicarcasă; 6 - disc; 7 - pereţi spiralaţi

disc; 8 - arbore excentric principal; 9 - arbore excentric secundar.

3.3.3.2 Compresorul centrifugal

Principalele componente ale unui compresorul centrifugal cu antrenare mecanică

sunt: rotorul pe care sunt fixate palete dispuse radial, carcasa şi amplificatorul de turaţie,

(fig. 3.36), [62]. Rotorul cu palete şi carcasa agregatului sunt realizate din aliaje de

aluminiu.

Fig. 3.36, Compresor centrifugal antrenat mecanic [49]

In care: 1 - amplificator de turaţie; 2 - rotor suflantă; 3 - colector; 4 - canal de admisie aer;

5 – difuzor.

3.3.4 Comparaţie între agregatele de supraalimentare cu antrenare mecanică

Din punct de vedere energetic, cel mai important criteriu de comparaţie pentru

agregatele de supraalimentare cu antrenare mecanică este lucrul mecanic consumat

pentru comprimare. Urmărind acest criteriu, se poate face o comparaţie între agregatele

de supraalimentare cu antrenare mecanică studiate, (cu palete, de tip Roots, de tip

Sprintex şi de tip G), dacă se fac următoarele consideraţii: compresoarele au acelaşi volum

maxim şi realizează aceeaşi presiune maximă de supraalimentare. Comparând diagramele

p - V din figura 3.40, observăm că agregatele de tip Sprintex şi de tip G au consumul de

lucru mecanic cel mai redus, iar compresorul Roots are consumul cel mai ridicat.

În concluzie, cel mai performant agregat de supraalimentare cu antrenare

mecanică este compresorul Sprintex. În vederea optimizării acordării agregatului cu

motorul pentru toate regimurile de turaţie, se recomandă utilizarea unui sistem cu sistem

de admise cu by-pass, şi antrenare cu ajutorul unui cuplaj electromagnetic.


33

Supraalimentarea mecanică se recomandă în special motoarelor cu aprindere prin

scânteie datorită răspunsului foarte bun la acceleraţie şi valorilor relativ scăzute a

presiunii de supraalimentare. La acest gen de motoare există pericolul apariţiei detonaţiei

şi din această cauză presiunea de supraalimentare trebuie să aibă valori moderate.

3.4 Supraalimentarea cu turbosuflanta

Un motor cu ardere internă, (m.a.i.), cu aspiraţie naturală reuşeşte să convertească

în lucru mecanic efectiv doar o parte din energia obţinută prin arderea combustibilului.

Eficienţa unui astfel de motor este de 30 până la 40%, valorile mai ridicate fiind pentru

motoarele cu aprindere prin comprimare (m.a.c.), iar cele mai scăzute pentru motoarele

cu aprindere prin scânteie (m.a.s.). Restul de energie este pierdută prin frecare şi cedare

de căldură, cea mai mare pondere având-o pierderile de căldură prin intermediul gazelor

de evacuare [34, 68].

Agregatul de turbosupraalimentare utilizează o parte a energiei conţinută în

gazele de evacuare pentru a antrena o turbină. Aceasta antrenează la rândul ei un

compresor centrifugal, (suflanta), care se află pe acelaşi arbore cu turbina şi care

comprimă amestecul proaspăt.

Randamentul unui motor turbosupraalimentat este mai bun decât cel al unui

motor supraalimentat mecanic, deoarece turbosuflanta nu utilizează o parte din puterea

motorului pentru comprimarea amestecului proaspăt, ci foloseşte energia gazelor de

evacuare pentru a realiza acest lucru. Pe de altă parte, agregatul de turbosupraalimentare

înrăutăţeşte evacuarea gazelor arse din cilindru prin frânarea lor în turbină.

Dacă privim pe diagrama teoretică p-V a unui m.a.s. din figura 3.41. suprafaţa

închisă 4-5-6-4 reprezintă lucrul mecanic disponibil pentru antrenarea turbosuflantei:

Fig. 3.41, Diagrama p - V teoretică a unui m.a.i. [35]

In care: Lm1 - lucrul mecanic efectiv; Lm2 - lucrul mecanic de pompaj; Lm3 - lucrul mecanic

disponibil pentru antrenarea turbosuflantei.


34

Fig. 3.42, Principalele componente ale unei turbosuflante [49]

In care: 1 - arbore turbosuflantă; 2 - difuzor paralel suflantă; 3 - deflector de ulei; 4 -

evacuare ulei; 5 - lagăre de alunecare; 6 - canal de admisie turbină; 7 - canal de evacuare

turbină; 8 - rotor cu palete turbină; 9 - carcasă turbină; 10 - scut termic; 11 - admise ulei;

12 - colector divergent suflantă; 13 - rotor cu palete suflantă; 14 - canal de admisie

suflantă.

Suflanta şi turbina sunt unite de arborele turbosuflantei prin diferite procedee de

sudură, cel mai folosit fiind sudura prin presiune. Părţile care urmează să fie sudate sunt

puse în contact şi rotite până când materialul se topeşte, datorită căldurii generate prin

frecare. Când zona de îmbinare e suficient de plastică, se opreşte rotaţia, iar piesele sunt

presate una într- alta, realizându-se astfel sudura. Următorul proces tehnologic constă în

îndepărtarea bavurilor ce rezultă în urma sudurii.

La m.a.c.-uri, turbosupraalimentarea reduce consumul specific de combustibil în

raport cu un motor cu aspiraţie naturală. Scăderea consumului specific la m.a.c.-urile

turbosupraalimentate este mai pronunţată cu cât este mai redusă sarcina motorului.

Datorită aportului suplimentar de aer care are loc odată cu creşterea turaţiei, un m.a.c.

turbosupraalimentat emite o cantitatea de fum mult mai redusă faţă de un motor cu

aspiraţie naturală.

La motoarele cu aprindere prin scânteie turbosupraalimentate se recomandă

reducerea raportului de comprimare al motorului datorită pericolului apariţiei

detonaţiei. M.a.s.-ul turbosupraalimentat are un consum specific mai ridicat, însă

caracteristicile de putere şi cuplu sunt superioare faţă de unul cu aspiraţie naturală de

aceleaşi dimensiuni [18, 50].

Turbosupraalimentarea se caracterizează printr-o psa destul de ridicată. Din

această cauză, amestecul proaspăt introdus în cilindri trebuie răcit cu ajutorul unui


35

intercooler. Avantajele utilizării intercooler-ului asupra consumului specific, cuplului şi

puterii pentru un m.a.c. cu injecţiei directă pot fi vizualizate în figurile 3.49 şi 3.50, [1]:

Fig. 3.49, Comparaţie între caracteristicile de

sarcină pentru un motor cu aspiraţie aturală

(1), turbosupraalimentat (2), şi

turbosupraalimentat cu intercooler (3) [49]

Fig. 3.50, Caracteristicile de cuplu şi putere

pentru un motor aspirat, turbosupraalimentat,

şi turbosupraalimentat cu intercooler [49]

In care: M1 - cuplul motorului aspirat; M2 - cuplul motorului turbosupraalimentat; M3 -

cuplul motorului turbosupraalimentat + intercooler; P1 - puterea motorului aspirat; P2 -

puterea motorului turbosupraalimentat; P3 - puterea motorului turbosupraalimentat +

intercooler.

3.5 Supraalimentarea cu unde de presiune

Supraalimentarea cu unde de presiune se realizează cu un agregat numit Comprex

Fig. 3.51). Acest gen de supraalimentare a fost iniţial dezvoltată de firma Brown Boveri

din Elveţia. Ca şi în cazul turbosupraalimentării, comprimarea amestecului proaspăt este

realizată prin intermediul gazelor de evacuare. Antrenarea agregatului de

supraalimentare cu unde de presiune este făcută de motor prin intermediul unei

transmisii cu curea dinţată, însă lucrul mecanic de comprimare e realizat de gazele arse

[48, 58].

Fig. 3.51, Compresor cu unde de presiune


36

Agregatul de supraalimentare cu unde de presiune (Comprex), poate realiza

rapoarte de supraalimentare mari (2 ÷ 2,8) fiind o soluţie foarte atractivă pentru

supraalimentarea m.a.c.-urilor. Şi m.a.s.-urile pot fi supraalimentate prin această metodă,

însă datorită presiunii mari de supraalimentare există pericolul apariţiei detonaţiei [51].

De asemenea, datorita vitezelor de ordin sonic al undelor de presiune, compresia

are loc intr-un timp foarte scurt, rezultand astfel o reactie rapida a sistemului de

supraalimentare in timpul reprizelor de acceleratie, dupa cum se poate vedea si in figura

3.53.

Fig. 3.53, Comparatie a timpilor de raspuns intre un

compresor cu unde de presiune si o turbosuflanta [49]

Datorita eficientei sale superioare, compresorul cu unde de presiune este capabil

sa realizeze presiune de supraalimentare ridicate. Pentru evitarea suprasolicitarii

mecanismului motor se recomanda, la fel ca la turbosuflanta, utilizarea unei supape de

scapari controlate de tip wastegate dar si racirea intermediara a aerului comprimat cu

ajutorul unui intercooler.

3.6 Supraalimentarea mixta

Prima varianta de supraalimentare mixta se refera la folosirea a doua tipuri de

agregate pentru supraalimentarea unui motor cu ardere interna, si anume: compresor de

tip Roots si turbosuflanta.

Acest tip de supraalimentare combina calitatile dinamice ale supraalimentarii

mecanice cu eficienta turbo-supraalimentarii. Dupa cum se poate vedea si in figura 3.54,

sistemul consta dintr-un compresor volumetric (2), antrenat direct de motor (1) prin

intermediul transmisiei (4). Compresorul este utilizat pentru asigurarea presiunii de

supraalimentare necasare atunci cand debitul de gaze arse este prea mic pentru ca

turbosuflanta (3) sa functioneze eficient. Totodata raspunsul motorului in timpul unui

palier de acceleratie va fi foarte prompt, fiind eliminata astfel intarzierea de activare

specifica turbo-supraalimentarii. Cand fluxul de gaze arse este suficient de mare pentru

ca turbosuflanta sa opereze in conditii optime, se decupleaza antrenarea compresorului

in vederea reducerii consumului de combustibil, iar aerul de admisie este ghidat direct


37

spre suflanta prin intermediul unor clapete obturatoare (8). Cu ajutorul acestui sistem de

supraalimentare se pot obtine presiuni relativ ridicate, din aceasta cauza fiind necesara

utilizarea racitorului intermediar de aer (5) si a supapelor de control de gen blow-off (6)

si wastegate (7).

Fig. 3.54, Sistem de supraalimentare mixta (VW) [64, 105]

Desi performantele supraalimentarii mixte sunt superioare celor doua tipuri de

supraalimentare pe care le inglobeaza, complexitatea ridicata si costurile suplimentare pe

care aceasta le implica limiteaza raspandirea pe scara larga a acestei metode de

supraalimentare.

Al doilea tip de supraalimentare mixta prezentat, se refera la modul de actionare

al supraalimentatorului, care in cazul de fata este cu antrenare mecanica sau electrica.

Acest patent apartine firmei Schaeffler Technology, si poate fi observat in figura 3.55.

Fig. 3.55, Sistem de supraalimentare cu antrenare mixta [69]

Sistemul prezentat in figura 3.55 este practic un compresor centrifugal la care s-a

aplicat o automatizare. Sistemul dispune de un electromotor-generator, care poate


38

accelera viteza compresorului individual de viteza motorului cu ardere interna. La turatii

mici ale motorului (800-1600 rpm) motorul electric accelereaza compresorul pentru a

mari aportul de aer adus motorului cu ardere interna. Acest consum de energie nu este

foarte mare si poate fi chiar energie verde, in cazul in care autovehiculul pe care a fost

montat acest tip de compresor beneficiaza de frane regenerative, si stocheaza energia

inertiala de franare a autovehiculului in baterii, care mai apoi sa fie folosita la marirea

turatiei compresorului.

3.7 Concluzii

O supraalimentare a motoarelor cu ardere internă corect realizată duce la o

îmbunătăţire a performanţelor energetice ale acestora. Astfel, randamentul global creşte,

la fel puterea şi cuplul motorului, iar consumul specific se îmbunătăţeşte.

Odata cu creşterea presiunii de supraalimentare creşte şi temperatura

amestecului proaspăt. Deoarece densitatea amestecului proaspăt scade cu creşterea

temperaturii, acesta trebuie răcit într-un intercooler pentru a nu anula efectul pozitiv al

creşterii presiunii.

Supraalimentarea acustică este o soluţie foarte atractivă pentru îmbunătăţirea

coeficientului de umplere la motoarele cu aspiraţie naturală, însă stăpânirea şi folosirea

eficientă a fenomenelor dinamice ce au loc în sistemul de admisie necesită cercetări

teoretice şi experimentale de o complexitate ridicată.

În cazul supraalimentării acustice şi mecanice, psa are valori moderate astfel că

motorul nu necesită modificări deosebite. Dacă se utilizează rapoarte mari de

comprimare, ca în cazul turbosupraalimentării şi a supraalimentări cu unde de presiune,

este necesară o îmbunătăţire a rezistenţei mecanice şi termice a motorului datorită

creşterii presiunii şi temperaturii maxime din cilindru.

Turbosupraalimentarea poate realiza presiuni de supraalimentare mari şi medii,

însă răspunsul la acceleraţie este destul de lent, iar performanţele turbosuflantei la sarcini

reduse ale motorului sunt scăzute. Prin utilizarea unor turbosuflante de dimensiuni mai

reduse şi a unor sisteme auxiliare ca cele prezentate în subcapitolul 3.3.1. se pot elimina

aceste dezavantaje.

Supraalimentarea cu unde de presiune realizează performanţe mai bune decât

turbosupraalimentarea, iar timpul de răspuns la acceleraţie este destul de rapid.

Principalul dezavantaj al acestui gen de supraalimentare este dificultatea acordării

Comprex-ului cu condiţiile de funcţionare ale motorului.


39

4. Compresorul cu unde de presiune. Principiul de

functionare. Constructie. Optimizare

4.1 Istoric și aplicaţii

Cercetǎrile teoretice și experimentale realizate de cǎtre Knauff (1906), Burghard

(1913) și Lebre (1928) au fǎcut ca principiul de funcţionare a agregatelor cu unde de

presiune sǎ fie cunoscut încǎ din secolul XX. Acest principiu constǎ în punerea în contact

direct a douǎ fluide cu presiuni diferite, omogenizarea celor douǎ având loc doar dupǎ

egalarea presiunilor lor. Acest proces are rolul de a transfera energia de la un fluid la

celǎlalt fǎrǎ ca acestea douǎ sǎ se amestece, rezultatul fiind un schimbǎtor de presiune

foarte eficient [9, 14, 51].

Cel care a pus pentru prima datǎ în aplicare acest principiu a fost Claude Seippel la

firma industrialǎ Brown Boveri Co. (astǎzi ABB), în 1942. Agregatul își gǎsește utilitatea

la o locomotivǎ cu gaze ca treaptǎ superioarǎ de comprimare în scopul creșterii

randamentului motorului. Acesta fiind posibil prin utilizarea unei pǎrţi din energia

gazelor de ardere dupǎ destinderea în turbinǎ pentru a mǎri suplimentar presiunea

aerului care intrǎ în camera de combustie [50].

La începutul anilor 2000, în cadrul unui proiect de cercetare desfǎșurat la

Institutul Tehnic Zűrich (ETH), în parteneriat cu firma Swissauto Wenko AG, este

dezvoltatǎ o nouǎ variant a compresotului cu unde de presiune denumit Hyprex. Acesta

este special conceput pentru supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin scânteie. În

prezent, firmele AMG și Swissauto continua cercetǎrile cu acest agregat în vederea

îmbunǎţǎţirii performanţelor energetice și economice a M.A.S.-rilor cu cilindree redusǎ.

Fig. 4.3, Hyprex [78, 104]

4.2 Principiul de funcţionare al compresorului cu unde de presiune

Elementul principal al unui Comprex este rotorul, aici realizându-se atât

comprimarea aerului cât și destinderea gazelor evacuate. Corpul rotorului este strǎbǎtut

de un numǎr mare de canale drepte deschise la ambele capete. În aceste canale, gazelle în

expansiune se aflǎ în contact direct cu aerul care urmeazǎ sǎ fie comprimat. Pentru ca

procesele de compresiune / destindere sǎ aibǎ continuitate, canalele rotorului trebuie


40

aliniate periodic cu ferestrele de admisie și evacuare din stator. Din acest motiv, rotorul

trebuie antrenat cu o turaţie optimǎ pentru a se evita pǎtrunderea gazelor arse în admisia

motorului. Antrenarea rotorului are rolul doar de distribuţie și nu contribuie la

comprimrea amestecului proaspǎt, ca în cazul compresorului mecanic.

Fig. 4.4, Principiul de funcţionare a unui agregat cu unde de presiune [23, 49]

1 – fereastră de admisie gaze arse, 2 – fereastră de evacuare aer comprimat,

3 – fereastră de evacuare gaze arse, 4 – fereastră de admisie aer proaspat

Statorul unui comprex este compus din douǎ pǎrţi: una “caldǎ”, în care se aflǎ

ferestrele de admisie și evacuare a gazelor arse și una “rece” care conţine ferestrele de

admisie și evacuare a aerului. Statorul nu se aflǎ în contact cu rotorul, iar distanţa dintre

acestea trebuie sǎ fie cât mai micǎ pentru a se reduce pierderile de presiune datorate

neetanșeitǎţilor.

4.3 Descrierea elementelor și caracteristicilor constructive ale unui

compressor cu unde de presiune

Principalele componente ale unui compresor cu unde de presiune utilizat la

supraalimentarea motoarelor de automobile, se pot observa in figura 4.5:


41

Fig. 4.5, Principalele componente ale unui agregat cu unde de presiune [30]

In care: 1 – fulie de antrenare; 2 – supapă de pornire; 3 – fereastră de evacuare aer

comprimat; 4 – canale rotor;m5 – rotor; 6 – fereastră de admisie gaze arse; 7 – supapă de

tip wastegate; 8 – fereastră de evacuare gaze arse; 9 – fereastră de admisie aer proaspăt;

10 – lagare arbore de antrenare; 11 – arbore de antrenare.

4.4 Sisteme auxiliare

Performanţele compresorului cu unde de presiune depend foarte mult de

sincronizarea turaţiei de antrenare cu deplasarea undelor de presiune din interiorul

canalelor rotorului. Din aceastǎ cauzǎ este necesarǎ folosirea unor sisteme auxiliare care

sǎ ajute la asigurarea unei functionǎri optime a acestui agregat de supraalimentare.

La pornire și în timpul mersului în gol al motorului, presiunea gazelor de evacuare

este foarte apropiatǎ de cea atmosfericǎ. Aceste condiţii de lucru sunt foarte

asemǎnǎtoare cu cele de la cazul III, prezentat anterior. Pentru a evita oprirea motorului

prin introducerea unei cantitǎţi mari de gaze arse în admisie se utilizeazǎ un dispozitiv

care constǎ într-o clapetǎ opturatoare și o supapǎ de by-pass a aerului (fig. 4.8).

dispozitivul este poziţionat de colectorul de transmisie între Comprex și motor, iar atunci

când presiunea gazelor arse este prea mica, clapeta obturatoare se închide, blocând astfel

pǎtrunderea lor în motor. Concomitant cu închiderea clapetei, se deschide supapa de by-

pass, motorul funcţionând acum în regim de aspiraţie naturalǎ.

Fig. 4.8, Supapă de pornire [19]


42

Având în vedere cǎ un compresor cu unde de presiune poate realiza presiuni de

admisie ridicate (> 2,5 bar), este necesarǎ utilizarea unei supape de tip wastegate pentru

a nu suprasolicita mecanismul motor. Aceastǎ supapǎ de gǎsește în partea “caldǎ” a

satatorului, ea având rolul de controla debitul de gaze arse care intrǎ în rotor în mod

indirect, mǎrimea presiunii de supraalimentare.

Fig. 4.9, Supapa de tip wastegate [19]

Supapa de tip wastegate este actionata cu ajutorul unui actuator pneumatic,

prezentat in figura 4.10.

Fig. 4.10, Actuator pneumatic pentru actionare supapa wastegate

Presiunea de supraalimentare ridicatǎ și contactul direct cu gazelle arse duc la o

încǎlzire suplimentarǎ a aerului admis în motor. Din aceatsǎ cauzǎ se remarcǎ utilizarea

unui intercooler pentru a evita reducerea coeficientului de umplere al cilindrilor și

suprasolicitarea mecanismului motor.

Dupǎ cum s-a vǎzut, antrenarea Compresorului nu contribuie la comprimarea

aerului, ea fiind necesarǎ pentru a putea alinia la momentul oportun canalele rotoru

Ing. Catalin George ATANASIU - unitbv.ro · Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor...

Documents

Transcript of Ing. Catalin George ATANASIU - unitbv.ro · Rezumat - Cercetari privind supraalimentarea motoarelor...