Procese si caracteristici in MAI 1_7

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

113 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

Unitatea de învăţare nr. 7

PROCESELE DE SCHIMBARE A GAZELOR ÎN MOTOARELE NAVALE ÎN DOI TIMPI Cuprins Pagina

Obiectivele unităţii de învăţare nr. 7 114

7 Procesele de schimbare a gazelor în motoarele navale în doi timpi 114

7.1 Particularităţile procesului de schimbare a gazelor în motoarele în doi timpi 114

7.2 Procesul de baleiaj şi fazele distribuţiei la motoarele în doi timpi 115

7.3 Sisteme constructive pentru realizarea procesului de baleiaj 117

7.4 Parametrii specifici şi de apreciere a procesului de schimbare a gazelor la motoarele în doi timpi

121

7.5 Parametrii caracteristici ai procesului de schimbare a gazelor la motoarele în doi timpi

122

7.6 Influenţa diverşilor factori asupra procesului de schimbare a gazelor la M2t 124

Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 7 128

Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare 128

Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 7 129



OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 7

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 7 sunt:

• Familiarizarea cu principalele solutii tehnice pentru efectuarea procesului de baleiaj.

• Înţelegerea procesului de schimb de gaze. • Recunoaşterea principalelor factori ce influenţează

procesul de baleiaj la M2t.

7 Procesele de schimbare a gazelor în motoarele navale în doi timpi

Motorul în doi timpi se deosebeşte de motorul în patru timpi prin faptul că ciclul de lucru (diagrama indicată), se realizează pe parcursul unei singure rotaţii a arborelui cotit sau a două curse ale pistonului. Analizând termodinamic ciclul motoarelor cu ardere internă în patru timpi, se poate observa că, pentru a realiza performanţe de putere şi economicitate, doar doi din cei patru timpi ai unui motor necesită deplasări mari ale pistonului: comprimarea încărcăturii proaspete, ce asigură o valoare ridicată a randamentului termic şi destinderea gazelor de ardere, ce permite obţinerea unui lucru mecanic util. Pentru a se obţine majorarea puterii pe unitatea de cilindree, reducerea numărului de timpi se poate realiza numai eliminând cursele de admisie normală şi evacuare forţată. Pentru a implementa această soluţie în practică, este necesar ca funcţia de pompă pe care o îndeplineste pistonul unui motor în patru timpi să fie realizată de o instalaţie specială de pompaj; de aceea motoarele în doi timpi sunt prevăzute cu agregate suplimentare, care asigură umplerea forţată a cilindrului, deci supraalimentarea va fi prezentă la M2t, indiferent de tipul constructiv. Deşi la prima vedere faptul că desfăsurarea întregului ciclu motor în două curse ale pistonului, în loc de patru ca la M4t, ar trebui să ducă la dublarea puterii motorului (dacă toate celelalte condiţii rămân neschimbate), experienţele arată că această creştere este de maxim 70%. Explicaţia constă în existenţa fracţiunii din cursa activă a pistonului (spre p.m.e.) dedicată evacuării gazelor arse şi umplerii cilindrului cu încărcătură proaspătă. Scurtarea cursei duce deci la micşorarea corespunzătoare a puterii motorului.

7.1 Particularităţile procesului de schimbare a gazelor în motoarele în doi timpi

Preluarea pompajului de o instalaţie anexă, ce asigură introducerea încărcăturii proaspete forţat în cilindru, permite simplificarea con-structivă a mo-toarelor în doi timpi. Astfel, distribuţia prin supape se poate înlocui cu o distribuţie prin ferestre (orificii, fante sau lumini), practicate în peretele cilindru-lui, în zona p.m.e., ce sunt deschise sau închise chiar

Fig. 1



de către pistonul în miscare. Cilindrul comunică deci prin ferestre de baleiaj (FB) cu colectorul de admisie (baleiaj) şi prin ferestrele de evacuare (FE) cu colectorul de evacuare. Cea mai simplă variantă a motorului în doi timpi utilizează partea inferioară a pistonului pentru ridicarea presiunii încărcăturii proaspete. Motoarele în doi timpi la care baleiajul nu se realizează prin carter sunt lipsite de fereastra de comunicare cu carterul, în schimb, beneficiază de aportul fluidului proaspăt sub presiune generat de un dispozitiv de supraalimentare.

7.2 Procesul de baleiaj şi fazele distribuţiei la motoarele în doi timpi

Pe diagrama de baleiaj (cap. 2), procesul de baleiaj poate fi împărţit în trei faze: ● faza 1 - evacuarea liberă sau scăparea, se realizează sub acţiunea diferenţei de presiune a gazelor din cilindru şi a mediului înconjurător în perioada destinderii anticipate de evacuare; ● faza 2 - evacuarea forţată şi umplerea sau baleiajul, proces ce are loc prin dislocarea gazelor arse de către încărcătura proaspătă comprimată în prealabil, în perioada deschiderii ferestrelor de baleiaj; ● faza 3 - postevacuarea sau postumplerea (baleiajul suplimentar), ultima fază a procesului de schimbare a gazelor care depinde de diagrama de distribuţie (simetrică sau asimetrică). Baleiajul reprezintă deci procesul de spălare forţată a cilindrului motor de gazele arse, rămase după evacuarea liberă, cu ajutorul fluidului motor proaspăt. Se presupune că în timpul evacuării forţate nu se produce o amestecare între gazele arse şi încărcătura proaspătă, ceea ce înseamnă, teoretic, că gazele admise acţionează pe un singur front, ca un piston, în această etapă. În realitate amestecarea dintre încărcătura proaspătă şi gazele arse în timpul evacuării forţate, nu poate fi evitată din cauza difuziei moleculare şi turbulenţei, umplerea căpătând astfel un caracter de spălare a cilindrului de gazele arse. Trebuie remarcat că, practic, deschiderea ferestrelor de baleiaj (d.f.b.) nu coincide cu pătrunderea aerului de baleiaj în cilindru. Aerul de baleiaj pătrunde în cilindru puţin timp după ce s-au deschis ferestrele de baleiaj, deoarece în momentul deschiderii ferestrelor de baleiaj, presiunea p din cilindru (p=1.5÷3.0 bar) este în general puţin mai mare ca presiunea pbal din colectorul de baleiaj (pbal=1.10÷1.5 bar). De fapt, condiţia de bază pentru funcţionarea normală a motoarelor cu regim lent este ca în momentul deschiderii ferestrelor de baleiaj să fie respectată inegalitatea: pbal>p>pce (pe de o parte presiunea p din cilindru trebuie să fie mai mare ca presiunea din colectorul de evacuare pce pentru a se putea efectua evacuarea, iar pe de altă parte ea trebuie să fie mai mică decât pbal pentru ca produsele de ardere din cilindru să nu pătrundă în pompa de baleiaj). Momentul închiderii ferestrelor de baleiaj se optimizează în strânsă legătură cu momentul deschiderii acestor ferestre, deoarece încărcătura proaspătă pătrunde în cilindru chiar şi după ce pistonul depăşeşte p.m.e. În cazul distribuţiei simetrice, problema este simplă deoarece αd.f.b.=αî.f.b. Pentru o distribuţie dată, la M2t, trebuie proiectat un sistem de evacuare corespunzător care să permită utilizarea energiei undelor cu amplitudini finite pentru îmbunătăţirea procesului de schimbare a gazelor şi pentru creşterea performanţelor motorului. În figura 2 se prezintă câteva variante ale epurei fazelor de distribuţie la M2t; în funcţie de soluţia constructivă a motorului, cu distribuţie simetrică sau asimetrică, poate reprezenta fie o postevacuare (a), fie un baleiaj suplimentar (b, c, d, e).



În figura 2,f s-a introdus notaţia:

1... >=s

bfdb p

pR , (1)

numit raport iniţial de baleiaj. În cazurile (a, d), evacuarea suplimentară corespunde intervalului de timp ce trece din momentul închiderii ferestrelor de baleiaj şi până în momentul închiderii ferestrelor de evacuare (porţiunea 3 de pe figura 2,a,d). În cazul schemei din figura 2,c,e, la care evacuarea se face prin sertare de distribuţie răcite sau supapă, iar baleiajul prin ferestre, baleiajul suplimentar poate fi realizat fie prin mărirea timpului-secţiune a ferestrelor de baleiaj în comparaţie cu cel al organelor de control al evacuării (c), fie prin închiderea mai târzie a ferestrelor de baleiaj; ca urmare a supraalimentării usoare a cilindrului, presiunea la începutul compresiei creşte. Rezultatele cele mai bune se obţin cu diagramele asimetrice de distribuţie care se realizează în cazul motoarelor cu baleiaj mixt, (fante de baleiaj-supape de evacuare), deoarece camele pot realiza unghiurile de închidere şi deschidere dorite, decalat faţă de unghiurile de admisie determinate de poziţia luminilor pe cilindru. Momentul de închidere al ferestrelor de evacuare la o distribuţie simetrică nu poate fi optimizat, pe când la o distribuţie asimetrică aceasta se poate realiza. Dacă se notează cu δînt=αî.f.e.-αî.f.b., atunci pentru δînt>0 distribuţia este simetrică, pentru δînt=0 se elimină postevacuarea la distribuţia asimetrică şi pentru δînt <0 se obţine supraalimentarea.

Momentul închiderii ferestrelor de evacuare trebuie să se stabilească şi în funcţie de oscilaţiile de presiune din conducta de evacuare şi anume, să se realizeze închiderea în

a. distribuţie simetrică prin FB şi FE; b. distribuţie asimetrică prin FB şi FE cu sertare de distribuţie la evacuare (răcite); c. distribuţie asimetrică prin FB şi FE cu sertare de distribuţie rotative la umplere; d. distribuţie asimetrică în cazul MAC2T cu pistoane cu mişcare opusă; e. distribuţie asimetrică prin FB şi SE; 1. evacuare liberă; 2. baleiaj; 3. evacuare suplimentară; 4. baleiaj suplimentar; 5. variaţia raportului de baleiaj Rb.

Fig. 2



momentul când în apropierea luminilor de evacuare presiunea în conductă este ridicată. În acest caz, scăpările de gaze proaspete din cilindru în conducta de evacuare se reduc şi presiunea de admisie se ridică.

7.3 Sisteme constructive pentru realizarea procesului de baleiaj Gradul de perfecţiune şi eficacitatea procesului de schimb de gaze la motoarele în doi timpi sunt determinate de calităţile sistemului de baleiaj. Sistemul de baleiaj la M2t trebuie să asigure deplasarea încărcăturii proaspete, astfel încât să nu se amestece cu gazele arse, în vederea împingerii complete a acestora spre sistemul de evacuare. Dirijarea optimă a încărcăturii proaspete în cilindrii de lucru este o problemă complexă, care se rezolvă prin experimentări pe modele staţionare şi dinamice (filmări în timp real a miscării gazelor). La motoarele în doi timpi distribuţia gazelor se realizează de obicei prin lumini de baleiaj şi de evacuare, comandate de piston. Uneori, asa cum s-a mai menţionat, evacuarea are loc prin orificii comandate de supape (distribuţie mixtă). După traiectoria parcursă de curentul principal de încărcătură proaspătă din cilindru, sistemele constructive fundamentale pot fi: baleiaj în buclă şi baleiaj în echicurent. Baleiajul în buclă se realizează la M2t cu distribuţie prin ferestre (lumini), aşezate numai la o singură extremitate a cilindrului. Denumirea acestui tip de baleiaj vine de la forma traiectoriei parcurse de curentul principal de încărcătură proaspătă. Variantele de baleiaj în buclă sunt grupate în două clase principale: baleiaj în buclă deschisă şi baleiaj în buclă închisă. În primul caz, luminile de baleiaj se plasează de o parte a cilindrului, iar cele de evacuare de cealaltă parte, astfel încât curentul de încărcătură proaspătă traversează cilindrul dintr-o parte în alta, forma traiectoriei fiind o buclă incompletă. În al doilea caz, luminile de baleiaj şi cele de evacuare sunt toate de aceeaşi parte a cilindrului, astfel încât curentul de încărcătură proaspătă realizează aproximativ o traiectorie închisă. În figura 3,a se prezintă un tip de baleiaj în buclă deschisă. Pentru a mări eficienţa baleiajului, uneori capul pistonului se profilează adecvat, sub forma unui deflector, care dirijează curentul de încărcătură proaspătă spre partea superioară a cilindrului şi împiedică, totodată, scăparea acesteia direct prin luminile de evacuare. Deflectorul introduce însă dificultăţi la executarea pistonului şi nu permite optimizarea arhitecturii camerei de ardere. Pentru a împiedica parţial scăparea încărcăturii direct prin luminile de evacuare, se evită plasarea acestora din urmă chiar în faţa luminilor de baleiaj (fig. 3,a jos). Experienţele arată că rezultate mai bune se obţin atunci când curentul de încărcătură proaspătă este alcătuit dintr-un fascicul de jeturi, direcţia fiecărui jet fiind determinată de construcţia ferestrei şi anume de felul în care este îndreptată axa ferestrei din planul normal pe axa cilindrului. Jeturile pot fi concentrice sau tangenţiale. În primul caz se cunosc variante în care jeturile sunt concentrate într-un punct situat excentric faţă de axa cilindrului (fig. 3,b) sau variante în care jeturile sunt astfel grupate, încât două câte două sunt concentrate şi paralele (fig. 3,c). În al doilea caz se cunosc, de asemenea, mai multe variante, şi anume cu jeturi tangenţiale la un cerc concentric cu cilindrul (fig. 3,d), sau excentric faţă de axa lui (fig. 3,e). Raza cercului de tangenţă variază, de asemenea, de la o variantă la alta. Ultimele patru soluţii menţionate urmăresc să realizeze dislocarea gazelor arse, astfel încât să se evite formarea pungilor.



În figura 3,f se prezintă un tip de baleiaj cu buclă închisă. Curentul principal de încărcătură proaspătă este orientat către capul pistonului prin înclinarea luminilor de baleiaj. Datorită concavităţii capului pistonului, curentul se ridică în sus pe partea opusă a cilindrului şi se întoarce apoi în jos pe aceeaşi parte a cilindrului pe care se găsesc luminile de baleiaj. O astfel de traiectorie a curentului principal pare să fie foarte favorabilă împiedicării scăpării de încărcătură proaspătă în exterior şi prevenirii apariţiei de pungi de gaze arse. În varianta prezentată, primul deziderat se realizează şi prin deplasarea luminilor de evacuare din dreptul

ferestrelor de baleiaj. În figura 3,g, baleiajul în buclă închisă se realizează cu câte două fascicule de jeturi concentrate, care, din cauza impactului, produc ridicarea curentului de încărcătură proaspătă într-un plan aşezat normal faţă de planul în care se situează ferestrele de evacuare; de aici şi denumirea acestui tip de baleiaj (în buclă închisă încrucisată). Ultimele variante de baleiaj prezentate în figura 3 ilustrează schematic construcţiile cu supape automate sau sertare de distribuţie. În figura 3,h, se prezintă tipul de baleiaj în buclă

Fig. 3



deschisă cu două rânduri de ferestre de baleiaj; rândul superior de ferestre este controlat de un şir de supape automate 1, care rămân deschise şi după închiderea ferestrelor de evacuare; în acest fel, se realizează o distribuţie asimetrică de baleiaj, care permite postumplerea cilindrului sau supraalimentarea sa. În figura 3,i, se arată tipul de baleiaj în buclă deschisă, cu sertar rotitor 2 de distribuţie în colectorul de evacuare. Sertarul lasă cale liberă gazelor arse în momentul deschierii FE; în schimb, la ridicarea pistonului, întrerupe legătura dintre colectorul de evacuare şi cilindru înainte ca FB să fie acoperite de piston. Distribuţia asimetrică de evacuare permite astfel postumplerea cilindrului.

În ultima schema (fig. 3,j), se arată o distribuţie asimetrică de evacuare cu sertar 3, pentru un tip de baleiaj în buclă închisă. Baleiajul în echicurent. Forţarea MAC prin mărirea turaţiei şi supraalimentare a impus abandonarea tipului de baleiaj în buclă, deoarece, din cauza traiectoriei complicate pe care o urmează curenţii de încărcătură proaspătă şi a difuziei turbulente, nu se poate asigura un baleiaj eficient. Principial, sistemul de baleiaj în echicurent se realizează prin deplasarea încărcăturii proaspete în cilindru numai într-o singură direcţie şi anume după axa cilindrului. În acest scop, organele de distribuţie sunt plasate la ambele extremităţi ale cilindrului, astfel încât printr-o extremitate se evacuează gazele arse, iar prin cealaltă pătrunde încărcătura proaspătă. Tipurile de baleiaj în echicurent se împart în patru grupe distincte: baleiajul mixt; baleiajul prin ferestre cu pistoane opuse; baleiajul prin ferestre cu cilindri paraleli (în forma de U răsturnat); baleiaj prin lumini cu cilindru-sertar. Baleiajul mixt se numeste acel tip de baleiaj care se realizează atât prin ferestre, cât şi prin supape. De obicei, la partea inferioară a cilindrului se prevăd FB (fig. 4,a,b) aşezate pe toată periferia cilindrului, iar la partea superioară a cilindrului se prevede o distribuţie prin supape, pentru evacuarea gazelor arse. Formarea pungilor de gaze arse este exclusă, deoarece încărcătura proaspătă străbate succesiv planurile normale pe axa cilindrului. Dislocarea gazelor arse se realizează treptat, cu un grad redus de amestecare turbulentă. Gradul de curăţare a cilindrului de gaze arse reziduale este foarte ridicat, ajungând la valori comparabile cu cele ale M4t. Întrucât supapa este acţionată de o camă, legea de ridicare a cesteia poate fi astfel controlată, permiţând realizarea unei distribuţii asimetrice de evacuare. Tipul de evacuare menţionat poate fi modificat în sensul introducerii încărcăturii proaspete prin supapă şi evacuată prin ferestre, dar soluţia nu a dat rezultate deosebite,

Fig. 4



deoarece la deschiderea FE, gazele arse fierbinţi vin în contact cu segmenţii şi provoacă coxarea şi blocarea lor. Pentru a îmbunătăţi baleiajul cilindrului, dar mai ales pentru a asigura formarea eficientă a amestecului în timpul procesului de ardere, FB se execută cu axele tangenţiale la o circumferinţă concentrică cu cilindrul (fig. 4,b), ceea ce generează o miscare în spirală a încărcăturii proaspete. Tipul de baleiaj mixt în echicurent anulează unul din principalele avantaje ale M2t: simplitatea constructivă, determinată de inutilitatea organelor de distribuţie prin supape. Cu toate acestea, tipul de baleiaj mixt cunoaste, în prezent, o răspândire mare, dată de eficienţa procesului de baleiaj. Baleiajul prin ferestre cu pistoane opuse se caracterizează prin existenţa a două pistoane, deplasându-se în sens opus, aflate la câte o extremitate a cilindrului (fig. 4,c). Întrucât gazele sunt evacuate prin acelasi şir de ferestre, unul dintre pistoane va funcţiona în condiţii mai grele; baleiajul permite utilizarea unor faze de distribuţie asimetrice printr-un decalaj între manivele, la p.m.e. Baleiajul prin ferestre cu cilindri paraleli constă din baleiajul succesiv a doi cilindri alăturaţi (fig. 4,d,e) care au un perete comun şi o chiulasă comună; FB şi FE sunt aşezate la partea inferioară a fiecărui cilindru, unul dintre pistoane controlând FB, iar celălalt FE; mecanismul bielă-manivelă poate fi independent sau comun. Baleiajul prin lumini cu cilindru-sertar este caracterizat prin prezenţa ferestrelor la cele două extremităţi ale cilindrului, controlat de un cilindru-sertar; ultimele două tipuri de baleiaj sunt mai puţin utilizate.



7.4 Parametrii specifici şi de apreciere a procesului de schimbare a gazelor la motoarele în doi timpi

În procesul de schimbare a gazelor la M2t nu se poate evita complet amestecarea gazelor ce pătrund prin ferestrele de baleiaj, deci fluidul motor, la începutul compresiei va fi un amestec de gaze proaspete cu gaze reziduale. Coeficientul cursei utile. Întrucât procesele de schimb de gaze la M2t au loc pe baza micşorării cursei utile a pistonului (p.m.e.-poziţia de deschidere a ferestrelor de baleiaj sau evacuare), se poate defini gradul de utilizare a cursei totale a pistonului sau coeficientul cursei utile Ψu . Notând cu Su cursa utilă şi S cursa totală (p.m.i.-p.m.e.), rezultă:

S

Suu =Ψ (2)

cu valori uzuale Ψu=0.70÷0.86, deoarece Su<S. Raportul de comprimare util reprezintă gradul real de comprimare a încărcăturii (cu referire la comprimarea efectivă).

,c

ucu V

VV +=ε (3)

unde: Vu volumul util, Vc volumul camerei de comprimare. De aici: εu=Ψu(ε-1)+1, (4) unde ε este raportul geometric de de comprimare. Coeficientul de baleiaj compară masa de aer proaspăt livrată motorului, în fiecare ciclu, cu masa de aer cerută într-un proces ideal:

,m

ms=Λ (5)

unde ms este masa de aer proaspăt livrată motorului, iar m masa de referinţă. Randamentul umplerii (admisiei) indică modul efectiv în care volumul cilindrului a fost umplut cu aer proaspăt:

,m

maCH =η (6)

în care ma este masa de aer reţinută în cilindru. Randamentul baleiajului indică gradul de înlocuire a gazelor arse cu aer proaspăt:

,ga

aSC mm

m

+=η (7)



cu mg masa de gaze arse reziduale rămase în cilindru. Randamentul utilizării aerului proaspăt indică ce fracţiune din masa de aer livrată cilindrului este reţinută în acesta:

.s

atr m

m=η (8)

Randamentul volumetric, definit asemănător cu cel din cazul motoarelor în patru timpi, este (conform cap. 2):

,m

mm gav

+=η (9)

unde m este masa de referinţă. Corelaţia cu parametrii procesului este dată de formula următoare, corespunzătoare celei din 2.2.3:

ra

s

s

a

u

uv T

T

p

p

γ+⋅

′⋅

′⋅

−εε

=η1

1

1. (10)

În formulările anterioare, prin condiţii de referinţă înţelegem presiunea şi temperatura mediului ambiant sau cele specifice admisiei încărcăturii proaspete (p0, T0 sau ps, Ts, indicele s simbolizând procesul de supraalimentare, iar ss Tp ′′ , sunt parametrii la ieşirea din răcitorul

aerului de baleiaj, rγ fiind coeficientul gazelor arse reziduale). În privinţa masei de referinţă, aceasta este definită de relaţia: ,)(0 ssVm ρ= (11)

sau: ( ),)(0 css VVm +ρ= (12)

unde ρ0(s) este densitatea aerului corespunzătoare mediului ambiant sau de intrare a aerului în cilindru, Vs şi Vc fiind cilindreea, respectiv volumul camerei de ardere.



7.5 Parametrii caracteristici ai procesului de schimbare a gazelor la motoarele în doi timpi

Presiunea şi temperatura la sfârşitul umplerii. Presiunea pa şi temperatura Ta pot fi determinate din calculul termic pe baza metodelor analitice sau grafice. Calculul se dezvoltă pentru arderea unui Kg combustibil în condiţiile în care fluidul motor, amestecul de gaze proaspete şi gaze reziduale, respectă ecuaţia de stare a gazelor, procesul de admisie considerându-se a se desfăşura instantaneu, iar evacuarea gazelor arse reprezentând un proces izocor de cedare de căldură mediului înconjurător (b-a), conform ciclului teoretic mixt de funcţionare. Conform acestui calcul se obţine: pe baza temperaturilor componentelor, asemănător relaţiei temperaturii aT (paragraful 2.2.2):

r

rrbalaera

TTT

γ+γ+

= −

1; (13)

pe baza entalpiei componentelor (prin interpolare):

( )( )

,12

1121

amam

amam

a II

IITTTT a

−−−

+= (14)

unde Taer-bal temperatura aerului în fereastra de baleiaj; Tr temperatura gazelor reziduale (600÷900°K), T1, T2 două temperaturi arbitrar alese: T1<Ta<T2,

21,, amamam III

a entalpiile

corespunzătoare fluidului motor la temperatura Ta, T1, T2. Presiunea la finele admisiei va fi: pa=ξapbal sau pa=ξaps, (15) cu ξa coeficientul de scădere a presiunii de admisie ξa=pa/p0=0.75÷0.90 la MAN4t şi ξa=pa/pbal=0.85÷0.95 la M2t. Presiunea şi temperatura de baleiaj pbal, Taer-bal. Aceste mărimi depind de sistemul constructiv de baleiaj, de gradul de supraalimentare şi de forţarea motorului după turaţia n. Dacă se admite drept criteriu de rapiditate indicele de baleiaj:

D nw

S Dp⋅ = 30

/, (16)

se poate alege valoarea presiunii de baleiaj din diagrame experimentale de tipul celei din figura 5, valabilă pentru baleiaj în echicurent şi cursa medie S/D=1.2. Valorile presiunii de baleiaj sunt: pbal=(1.10÷1.25)105Pa la motoare lente şi pbal=(1.25÷1.50)105Pa la motoarele rapide.

Fig. 5



Temperatura aerului de baleiaj Taer-bal depinde de tipul de suflantă la fel ca şi pbal; dacă se consideră comprimarea politropică (de exponent mediu ns) a aerului în pompa de baleiaj atunci:

,

1

00

s

s

n

n

balbalaer p

pTT

−

−

= (17)

cu ns luând valorile 1.45÷1.6 pentru suflante cu piston, 1.8÷2 pentru suflante volumice, 1.4÷1.8 pentru suflante centrifugale. La M2t, pentru scăderea temperaturii de baleiaj şi creşterea densităţii încărcăturii, se utilizează răcitoare intermediare, ce duc la reducerea temperaturii aerului de baleiaj: Tbal-aer=Ts+∆T-∆Trăc, (18)

unde: Ts temperatura la ieşirea din suflantă, ∆T încălzirea în contact cu pereţii calzi ai motorului: ∆T=5÷20 grd, ∆Trăc răcirea intermediară a aerului de supraalimentare: ∆Trăc=20÷100 grd. Presiunea şi temperatura la deschiderea sistemului de evacuare, pb, Tb. Calculul termic poate da valoric mărimea acestor parametri:

dn

b

zzb V

Vpp

= (19)

şi:

1−

=

dn

b

zzb V

VTT (20)

unde: pz, Tz presiunea şi temperatura la sfârşitul arderii izobare; nd exponentul politropic al destinderii (considerat constant) determinat pe baza calculului coeficienţilor căldurii specifice medii a fluidului motor (cap. 5); pb şi Tb parametrii la sfârşitul evacuării ce depind de gradul de forţare a M2t după turaţia n [rot/min] şi pe [bar]. Presiunea medie din cilindru în timpul evacuării pcil-evac; acest parametru se poate studia pe baza analizei saltului de presiune ∆pe-b dintre colectorul de evacuare şi baleiaj:

,rbal

revaccilbe pp

ppp

−−=∆ −

− (21)

de unde pcil-evac=∆pe-b(pbal - pr)+pr, (22) unde pr presiunea medie din colectorul de evacuare, pr=(0.7÷0.9)pbal, ∆pe-b saltul de presiune evacuare-baleiaj, ∆pe-b=(0.5÷0.9) la M2t echicurent cu ferestre şi supape şi (0.4÷0.75) la M2t în buclă cu ferestre.



7.6 Influenţa diverşilor factori asupra procesului de schimbare a gazelor la M2t

Principalii factori luaţi în considerare sunt factorii externi, cei funcţionali şi cei constructivi. Influen ţa factorilor externi Influenţa presiunii din colectorul de baleiaj pbal. Creşterea presiunii de baleiaj (pbal) duce, prin ridicarea valorii presiunilor din întregul ciclu, la o presiune pb mai mare la momentul deschiderii evacuării şi deci la creşterea cantităţii de gaze îndepărtate din cilindru în timpul evacuării libere; gazele proaspete vor pătrunde în incinta cilindrului la o presiune mai mică, ceea ce va avantaja procesul de umplere . Peste o valoare optimă, creşterea presiunii încărcăturii proaspete accentuează trecerea direct spre ferestrele de evacuare, ceea ce conduce la micşorarea coeficientului de umplere. Influenţa presiunii din colectorul de evacuare pce. Datorită rezistenţelor gazodinamice, presiunea de evacuare nu poate atinge presiunea atmosferică. Creşterea sa, datorită obturării parţiale a conductei de evacuare de exemplu, duce la dificultăţi în îndepărtarea gazelor arse, creşterea procentului acestora în masa fluidului motor şi deci la înrăutăţirea baleiajului şi scăderea randamentului umplerii . Influen ţa factorilor func ţionali Turaţia. Coeficientul de umplere este optim la o singură turaţie (fig. 6,a). La scăderea turaţiei (fig. 6,b), se micşorează postumplerea şi scade presiunea pb din momentul deschiderii evacuării şi, de asemenea, scade presiunea în momentul deschiderii baleiajului pd.f.b. într-o măsură mai mare datorită creşterii timpului disponibil afectat evacuării libere. Sarcina. Prin reducerea sarcinii motorului au loc perturbări ale baleiajului, care conduc la înrăutăţirea umplerii cu o scădere a coeficientului de umplere şi a nivelului de presiuni din ciclu; scad presiunile pb şi pd.f.b. şi deci se micşorează randamentul umplerii (invers la M2t faţă de M4t).

Influen ţa factorilor constructivi Varianta schemei de baleiaj. Acest factor constructiv influenţează procesul de schimb de gaze la MAI2T. Din acest punct de vedere, la păstrarea constantă a celorlalţi parametri, cel mai eficient este baleiajul în echicurent, apoi baleiajul în buclă închisă şi cel în buclă deschisă. Organele de distribuţie. La M2t, schimbul de gaze se realizează prin ferestre de distribuţie, iar la unele variante şi prin supape de evacuare, care pot fi de diferite forme (fig. 7): dreptunghiulare, paralelograme, trapezoidale, ovale şi rotunde; pentru aprecierea cantităţii de fluid ce traversează luminile de distribuţie, se introduce noţiunea de timp-secţiune TS [m2s], care este aria secţiunii momentane deschise a luminilor As, în intervalul de timp dτ, exprimată prin integrala:

Fig. 6



,τ= ∫ dATS s (23)

sau încă:

.∫ µ=

w

dVTS

D

(24)

unde: µD este coeficientul de debit al deschiderii, iar w viteza momentană de scurgere a gazului. Prin egalarea ultimelor două relaţii, obţinem:

.τ=⋅µ ∫∫ dAw

dVs

D

(25)

Sensul fizic al timpului-secţiune TS este exprimat de membrul din stânga şi anume acesta reprezintă volumul cinematic de fluid care trece printr-o secţiune variabilă într-un timp determinat. Dacă se leagă parametrul timp de viteza unghiulară:

,

ωα=τ d

d (26)

cu ω viteza unghiulară a arborelui cotit:

,

30

nπ=ω (27)

atunci:

USdATS s ⋅

ω=α

ω= ∫

11

. (28) de unde:

,α= ∫ dAUS s (29)

în care US reprezintă unghiul-secţiune al ferestrelor de distribuţie [m2 °RAC]. Pentru procesul de baleiaj prezintă importanţă USABC, corespunzător evacuării anticipate, de care depinde presiunea în momentul deschiderii baleiajului, precum şi pierderile de încărcătură în perioada postumplerii.

Fig. 2

Fig. 7



Timpul-secţiune se micşorează odată cu creşterea turaţiei şi deci pentru păstrarea unui baleiaj corespunzător TS-ul trebuie mărit. Limitele de creştere sunt date de spaţiul disponibil (lăţimea ferestrelor funcţie de alezajul cilindrului şi înălţimea lor funcţie de cursa utilă), astfel încât turaţia motoarelor în doi timpi nu poate creşte fără afectarea negativă a procesului de schimb de gaze. Coeficientul cursei utile. Pentru a apropia performanţele, relative la volumul util al cilindrului, ale M2t de motoarele în 4 timpi, se tinde spre mărirea cursei utile, în detrimentul porţiunii din cursă dedicată schimbului de gaze. Micşorarea avansului la deschiderea FE duce la scăderea randamentului umplerii ηCH, referitor la cilindreea utilă . Motoarele cu baleiaj în echicurent pot mări deci cursa utilă, deschiderea supapelor neiiind influenţată direct de poziţia pistonului.

Fig. 7



De reţinut! Procesul de baleiaj are loc la M4t pe durata căt ambele supape (admisie şi evacuare) sunt deschise. La M2t acest proces are loc căt timp sunt ambele tipuri de ferestre descopedite de piston, sau în cazul baleiajului în echicurect căt timp supapa de evacuare este deschisă şi ferestrele de admisie sunt descoperite. M2t sunt întotdeauna supraalimentate.

Test de autoevaluare 7 1. Care dintre elementele următoare previne pomparea aerului de sub pistonul cu fustă lungă înapoi spre ferestrele de baleiaj în timpul cursei de destindere: a) Ferestrele de baleiaj dispuse pe două rânduri; b) Fusta pistonului; c) Presiunea pozitivă de baleiaj; d) Etanşarea părţii inferioare a cămăşii cilindrului. 2. În motorul diesel în patru timpi supapa de admisie se deschide: a) Înainte de p.m.i. şi se închide după p.m.e.; b) După p.m.i. şi se închide după p.m.e.; c) Înainte de p.m.i. şi se închide înainte de p.m.e.; d) După p.m.i. şi se închide înainte de p.m.e. 3. Menţinerea temperaturii minime posibile a aerului de baleiaj nu se recomandă pentru că: a) Densitatea aerului devine prea mare; b) Suprafaţa capului pistonului se răceşte prea mult; c) Se formează cantitate excesivă de condens; d) Presiunea de comprimare se reduce prea mult. 4. Perioada de baleiaj la un motor diesel în patru timpi se realizează: a) Fără răcirea pistoanelor sau a cilindrilor; b) La o presiune sub cea atmosferică; c) În timpul perioadei de deschidere simultană a supapelor; d) Numai cu supapa de evacuare deschisă. 5. La un motor diesel în patru timpi, supapa de evacuare rămâne deschisă până după p.m.i. şi cea de admisie până după p.m.e. în scopul: a) Îmbunătăţirii umplerii cilindrului;



b) Egalizării presiunii din cilindru şi colectorul de evacuare; c) Reducerii diferenţei dintre mărimea supapei de admisie şi cea de

evacuare; d) Eliminarea condensului apărut după fiecare cursă de comprimare.

Lucrare de verificare la Unitatea de înv ăţare nr. 7 Prezentaţi asemanarile şi deosebirile care exista între procesele de schimb de gaze ale motoarelor în doi respectiv patru timpi.

Răspunsuri şi comentarii la întreb ările din testele de autoevaluare 1 – b; 2 - a; 3 - c; 4 - c; 5 – a.

Recapitulare Recapitulaţi soluţiile tehnice de baleiaj ale M2t prezentate in figurile 3 şi 4.

Concluzii Eficientizarea procesului de schimb de gaze duce la creşterea randamentului motorului. Perfecţiunea acestui proces este cuantificată prin coeficientul gazelor arse reziduale. La motoarele în patru timpi, procesul de schimb de gaze este mai eficient datorită mişcarii pistonului pe cursele de admisie şi evacuare, dar un factor ce înrăutaţeste acest proces este turaţia mare la care lucreaza M4t.



Bibliografie 1. Apostolescu, N., Chiriac R. Procesul arderii In motorul cu ardere internă, Editura Tehnică, Bucureşti, 1998. 2. Aramă, C., Grunwald, B. Motoare cu ardere internă. Procese şi caracteristici, Editura Tehnică, Bucureşti, 1966. 3. Buzbuchi, N., Stan, L.: Procese şi caracteristici ale motoarelor navale, Colecţia Maşini Navale, Editura Nautica, ISBN 978-973-7872-78-4, 200 pag., Constanţa, 2008 4. Buzbuchi, N., Sabău, A. Motoare diesel navale. Procese, construcþie, exploatare, ISBN 973-8143-77-2, Editura Bren, Bucureşti, 781 pag., 2001; Editura Ex Ponto (ediþia a II-a), Constanþa, 2002. 5. Buzbuchi, N., Manea, L., Dragalina, A., Moroianu, C., Dinescu, C. Motoare navale. Vol. 1: Procese şi caracteristici, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1997. 6. Buzbuchi, N. Şoloiu, V.A., Dinescu, C., Lyridis D.V. Motoare navale. Vol. 2: Supraalimentare*Dinamică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1998. 7. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamantals, McGraw-Hill Book Company, 1988. 8. Vasilescu, C.A., Pimsner, V. Supraalimentarea motoarelor diesel, Editura tehnica, Bucureşti, 1965. 9. Pounder, C.C. Marine Diesel Engines, Newnes-Butterworth, London, 1976. 10. Taylor, C.H. The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, the MIT Press. 11. Taylor, D.A. Introduction to Marine Engineering. 2nd ed. London, Butterworth, ISBN 07-50-6253-91, 990. 12. Ferguson, C. R. Internal Combustion Engines, John Wiley & Sons, 1986. 13. *** stcw Modul Courses 7.02, 7.04.

Procese si caracteristici in MAI 1_7

Documents

Transcript of Procese si caracteristici in MAI 1_7