Acordarea turbocompresorului cu motorul cu aprindere prin compresie pentru autovehicule

Acordarea turbocompresorului cu motorul cu aprindere prin compresie pentru autovehicule

Viteza turbocompresorului, debitul de aer si presiunile acestuia se adapteaza simplu, la variatiile turatiei motorului ale debitului de combustibil injectat si ale altitudinii.

Odata cu scaderea turatiei, scade rapid presiunea de supraalimentare ceea ce duce la o limitare a puterii datorita cresterii excesive a gradului de fum. In schimb, la turatii mari ale motorului ajunge la valori limita turatia turbocompresorului puterea maxima si temperatura gazelor de evacuare asa cum rezulta din fig.19.

Alegerea corecta a turbocompresorului conditioneaza direct performantele motorului cat si calitatile de elasticitate si adapta-bilitate.

Conditiile de functionare in comun ale motorului cu ardere interna cu agregat de supraalimentare sunt urmatoarele:

- egalitatea debitului de aer comprimat de compresor cu cel utilizat de motor

- egalitatea debitului de gaze care trece prin motorul cu ardere interna cu cel care traverseaza turbina (in cazul in care nu deviaza o parte din gazele de ardere)

- relatia dintre cantitatea de gaze care trece prin turbina si

contrapresiunea la evacuarea motorului cu ardere interna;

- egalitatea puterilor compresorului si turbinei grupului turbocompresor P_s= P_t;

- egalitatea turatiei compresorului si turbinei n _s=n_t;

Pentru acordarea grupului turbocompresor cu motorul se folosesc atat metode grafoanalitice cat si numerice pentru calculul pe calculator.

Determinarea punctelor de functionare comuna a motorului cu grupul turbocompresor cu ajutorul metodelor grafoanalitice

Pentru determinarea punctelor de functionare comuna se utilizeaza pentru turbocompresor caracteristicile universale ale turbinei si compresorului iar pentru motor marimile determinate pe baza calculului termodinamic (temperatura de ardere in fata turbinei, coeficientul de umplere, schimbul de caldura, durata arderii, valoarea randamentului mecanic, etc).

In figura 20 se prezinta o diagrama inchisa realizata de Gustav Winkler pentru calculul punctelor de functionare comuna a grupului turbocompresor cu un motor in patru timpi.

Diagrama este reprezentata intr-o forma adimensionala. Fiecare din cele patru semiaxe ale diagramei sunt comune pentru cate doua cadrane iar punctul de functionare este determinat de cele patru coordonate.

a) Prima coordonata. Raportul p_t/p₀ al presiunilor inainte si dupa turbina. La supraalimentarea pulsatorie p_t reprezinta presiunea medie in timp.

b) Coordonata a doua. Raportul p_s /p₀ al presiunilor inainte si dupa compresor. Pierderile de presiune in conducte trebuie considerate separat sau luate in considerare prin micsorarea randamentului turbosuflantei. Pierderile de presiune in racitorul aerului de supraalimentare pot fi luate in considerare direct prin coordonata respectiva.

c) Coordonata a treia. Raportul 1 dintre debitul de gaze de evacuare si produsul dintre suprafata pistonului, densitatea aerului si viteza sunetului in zona de admisie a compresorului.

d) Coordonata a patra. Raportul dintre debitul masic al gazelor de ardere si sectiunea turbinei referitoare la starea inainte de turbina 2

Marimile necesare descrierii motorului si starii de functionare sunt reprezentate in figura 21.

In fiecare cadran sunt familii de curbe caracterizate de o serie de parametrii. Parametrul K₀ este proportional si aproape egal cu randamentul turbosuflantei _ts. Parametrul K₁ este proportional cu presiunea indicata p_i, K₂ reda turatia motorului si este proportional cu viteza medie a pistonului w_m. Parametrul K₃=K₁.K₂ este proportional cu produsul p_i.w_m, K₃ exprima in esenta puterea specifica indicata pe aria pistonului p_i.w_m/4 sau puterea.

Parametrul K₄ este proportional cu aria sectiunii duzei turbinei raportata la aria pistonului.

In primul cadran familiile de curbe sunt ordonate dupa K₁, deci dupa presiunea medie indicata. Fiecare grupa contine linii pentru diferite valori ale lui K₀ (randamentul turbocompresorului). Valori intermediare se obtin prin interpolare liniara.

Bazele diagramei

Calculul temperaturii gazelor de ardere. Dupa primul principiu al termodinamicii partea cadurii de ardere care nu se transforma in lucru mecanic si care nu este evacuata prin instalatia de racire este continuta in gazele de ardere, deci se poate scrie:

(31)

unde:   T_t - temperatura gazelor de evacuare;

T_s - temperatura aerului;

m_t - masa gazelor arse;

c_pg - caldura specifica la presiune constanta a gazelor;

_i - randamentul indicat;

_R - raportul dintre caldura evacuata prin instalatia de racire si caldura dezvoltata in cilindru;

Q_i - puterea calorica inferioara;

m_c - masa combustibilului ars in cilindru.

Inlocuind in relatia (24) urmatoarele relatii

unde:  

iar

(32)

se obtine:

(33)

notatiile folosite fiind urmatoarele:

V_s - cilindreea;

_a - densitatea aerului la sfarsitul admisiei;

f - raportul intre debitul gazelor arse si debitul de aer;

x'- exponentul adiabatic al gazelor arse;

R_a, R_g - constanta generala pentru aer si pentru gazele arse.

Aceste legaturi permit ca intr-o diagrama auxiliara care se ataseaza la primul cadran al diagramei principale sa se determine temperatura medie a gazelor de evacuare.

Linii caracteristice in primul cadran

Daca in bilantul de putere al turbosuflantei se elimina temperatura gazelor arse care nu este cunoscuta se obtine:

(34)

unde:  

c_pa- caldura specifica a aerului;

x - exponentul adiabatic pentru aer;

Relatia (34) reda legatura dintre gradul de comprimare in compresor si gradul de destindere in turbina sub forma implicita.

Ecuatia se poate rezolva numeric. Curbele solutiei sunt reprezentate in cadranul I din figura 20 pentru diferite valori ale lui K₀ si K₁. Pe linia punctata la 45⁰ presiunile inainte si dupa motor sunt egale.

Liniile caracteristice din cadranul II

Liniile din cadranul II reprezinta liniile de admisie ale motorului (gazul admis fara combustibil) exprimate prin factorul f. Acestor linii li se suprapune domeniul compresorului care este dat in diagrama prin limita de pompaj.

Pentru calculul debitului gazelor de ardere se poate utiliza urmatoarea relatie:

(35)

unde s-au folosit ecuatiile de definitie: si se obtine:

in care :

(36)

Relatia (36) reprezinta in cadranul II o familie de drepte cu originea sub punctul 0.

Liniile caracteristice din cadranul III

In cadranul III debitul prin motor este redus la starea inainte de turbina.

Din ecuatiile (35) si (36) se obtine:

(37)

Separand in partea dreapta factorii care depind numai de debitul masic K₂.p_s/p₀ corespuzator ecuatiei, rezulta:

(38)

unde: K₃=K₁.K₂. Deoarece K₁ este proportional cu presiunea medie indicata p_i, iar K₂ cu viteza medie a pistonului w_m rezulta ca parametrul K₃ este o masura a puterii raportate la aria pistonului motorului.

Liniile corespunzatoare din cadranul IV

Acest cadran evidentiaza legatura dintre debitul masic si raportul de destindere al turbinei.

Posibilitatea de admisie a unei turbine axiale poate fi reprezentata printr-o suprafata echivalenta A_t.

Debitul prin suprafata echivalenta a turbinei se poate determina cu relatia:

(39)

unde:   functie de debit

 - factor care tine seama de pulsatiile debitului de gaze

Prin transformare se obtine:

(40)

unde:

(41)

Pentru valorile uzuale ale lui K₄ liniile de admisie ale trubinei sunt reprezentate in cadranul IV al figurii 20 curbele obtinandu-se prin multiplicarea functiei de debit cu p_s/p₀.

Modul de calcul

Punctele de functionare se determina iterativ. Daca punctele de functionare ale motorului sunt date, atunci se cauta punctele de functionare ale turbocompresorului dat. Se calculeaza parametrii K_o-K₄ definindu-se in fiecare cadran cate o linie, daca se gaseste un dreptunghi prin ale carui colturi trec cele patru linii de definitie, atunci acest dreptunghi descrie starea de functionare stationara a compresorului. Acest dreptunghi se poate gasi prin incercari, insa prin iteratie grafica solutia se gaseste mult mai usor.

In figura 22.a. s-a reprezentat schematic diagrama cu cele patru linii de definitie.

Iteratia se poate porni din oricare cadran insa este preferabil sa se porneasca din cadranul I.

Se adopta o presiune de supraalimentare ce pare rezonabila si se strabate diagrama in sensul invers acelor de ceasornic, ducand paralele la axe. Daca s-a ales o valoarea preea mica, atunci presiunea de supraalimentare va creste mai mult dupa prima parcurgere a diagramei, urmand sa creasca din ce in ce mai putin la celelalte iteratii. In cele din urma aceste linii se vor suprapune cu dreptunghiul care reprezinta soluIia optima. In caz ca s-a adoptat o presiune prea mare, aceste linii se apropie de exteriorul dreptunghiului ce reprezinta solutia optima. Daca s-a adoptat din intamplare presiunea corecta de supraalimentare atunci dreptunghiul se inchide din prima incercare.

Determinarea directa a sectiunii turbinei si a randamentului turbocompresorului

Daca sunt cunoscute punctele de functionare atat pentru motor cat si pentru turbocompresor, atunci sectiunea turbinei cat si randamentul turbocompresorului se pot determina direct.

Se trec presiunile respective in diagrama si se citesc intersectiile din cadranele I si IV, valorile pentru K₀ si K₄.

Acest procedeu se utilizeaza pentru determinarea influentei modificarii unor factori externi asupra functionarii turbocompresorului.

Exemplul de calcul

Pentru concretizare se va dezvolta un exemplu de calcul apelandu-se la diagrama din figura 20, motiv pentru care se apeleaza la unita]ile de masura din diagrama.

Se dau:

- randamentul indicat: _i = 0,45;

- caldura cedata instalatiei de racire _R = 0,15;

- raportul debit masic 3

- coeficientul de exces de aer  = 1,2;

- exponentul adiabatic al gazelor de ardere x´ = 1,35;

- temperatura mediului ambiant T₀ = 300 K;

- temperatura aerului de supraalimentare T_s = 315 K;

- viteza sunetului a_a = 340 m/s = 4

- factorul masic  = 0,975;

Se obtin urmatoarele relatii pentru parametrii K₀.K₄;

Punctul de sarcina maxima

La o presiune medie indicata p_i = 21,4 bar si o viteza medie a pistonului w_m = 8,1 m/s se considera o presiune de supraalimentare de 2,91 bar si o contrapresiune a gazelor de ardere de 2,7 bar. Care vor fi valorile ariei sectiunii turbinei si randamentului turbo-compresorului, daca se admite presiunea atmosferica p₀=1 bar. Efectuand calculele se obtin:

Prin transpunerea in diagrama in figura 20, se obtin direct K₀= 0,6 si K₄= 0,02.

Randamentul turbocompresorului va fi 5= 0,56 deci 56%, iar sectiunea turbinei 2% din aria sectiunii pistonului motorului.

Determinarea punctului de functionare comuna la sarcina partiala

In acest caz trebuie sa se determine presiunea de supraalimentare la reducerea sarcinii la

p_i = 16,1 bar la o turatie constanta (celelalte valori raman constante).

K₁=16,1/5,35=3; K₃=3.0,007= 0,021; K₀, K₂ si K₄ ca la sarcina maxima.

Solutia obtinuta prin iteratie grafica in fig.20 da valorile p_s = 2,3 bar si p_t=2,121 bar.

Aceasta presiune de supraalimentare este suficienta pentru p_i = 10,1 bar.

Determinarea punctului de functionare comuna in cazul scaderii turatiei

Mentinand presiunea medie indicata la 21,4 bar, insa la o turatie mai scazuta 71,5% (w_m=5,8 m/s) din cea considerata, trebuie sa se determine presiunea de supraalimentare.

In acest caz, parametrii de proportionalitate vor fi:

K₁= 4; K₂= 0,715.0,007= 0,005; K₃= 4.0,005= 0,020; K₀ si K₄ se adopta ca la sarcina maxima.

Prin extrapolare din linia K₀= 0,6 la K₁= 4 in cadranul I se obtine prin iteratie p_s = 1,92 bar si p_t = 1,5 bar. Aceasta presiune de supraalimentare este insuficienta pentru p_i = 21,4 bar deoarece astfel arderea ar fi incompleta si temperatura gazelor de evacuare prea mare.

In diagrama aceasta rezulta din faptul ca linia respectiva rezulta cu mult sub grupul de linii pentru K₁= 4. In afara de aceasta punctul de functionare din cadranul II se suprapune cu limita de pompaj a compresorului.

Functionarea la altitudine

In acest caz se determina presiunea de supraalimentare cand p_i =16,1 bar si w_m = 8 m/s (sarcina partiala) la o presiune a mediului ambiant p= 0,75 bar.

Se aleg parametrii:

K₁= 4; K₀, K₂ , K₃  si K₄ ca la sarcina maxima.

Gradul de supraalimentare este 2,91 insa presiunea de supraalimentare este p=2,17 bar. La presiunea atmosferica p=1 bar presiunea de supraalimentare era p_s=2,3 bar; deoarece presiunea atmosferica este mai scazuta p₀=0,75 bar (scadere de 25%) presiunea de supraalimentare scade la 2,17 bar (scadere 6%).

Aceasta confimra buna comportare a motoarelorcu supraalimentare la altitudine.

Metoda descrisa mai sus se preteaza la simularea fenomenelor ce au loc la functionarea motoarelor supraalimentate.

Supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin compresie pentru autoturisme

Economia importanta de combustibil obtinuta de motorul cu aprindere prin compresie fata de motorul cu aprindere prin scanteie a dus la introducerea acestui motor in constructia autoturismelor mai ales de catre constructorii din Europa, Japonia si General Motors in SUA.

Unul din cele mai semnificative dezavantaje ale aplicarii motorului cu aprindere prin compresie la autoturisme este puterea redusa in cilindreea utilizata. Supraalimentarea este o metoda simpla de a acoperi diferenta de putere intre MAS si un MAC de aceeasi cilindree unitara.

Motorul cu aprindere prin compresie are o temperatura a gazelor de evacuare coborata, si o gama de turatii mai redusa. Din aceasta cauza multe probleme dificile ce apar la MAS supraalimentate in acest caz nu se mai pun. In general la MAC de puteri mici presiunea aerului de supraalimentare este limitata de incarcarea termica si mecanica.

Motoarele cu aprindere prin compresie sunt echipate cu o turbina mica pentru a avea un moment bun la turatii reduse si este dotata cu o supapa de control pentru a evita suprapresiuni de aer la turatii ridicate.

Consumul de combustibil se poate reduce pe masura imbunatatirii randamentului compresorului. In reducerea consumului de combustibil la MAC de autoturisme o importanta contributie o aduce optimizarea procesului de ardere, selectarea presiunilor de aer, optimizarea colectorului de admisiune si evacuare.

In cazul supraalimentarii motoarelor de autoturisme (cilindree 1,5.3,0 l) pentru a obtine puterea maxima la turatia n_n si momentul maxim la turatia  n_M apar urmatoarele probleme) (figura 23):

- Daca se regleaza punctul de functionare comuna a motorului si turbocompresorului pentru regimul puterii maxime la turatia de moment maxim nu se realizeaza efectul de supraalimentare;

- Daca se regleaza punctul de functionare comuna a motorului si turbocompresorului pentru regimul momentului maxim, la turatia puterii maxime valoarea presiunii de supraalimentare depaseste valoarea prescrisa si solicitarile mecanice ale motorului cresc peste limitele admise.

Astazi constructorii de motoare turbosupraalimentate pentru autoturisme folosesc sisteme de supraalimentare la care se realizeaza punctul comun de functionare cu motorul la regimul momentului maxim. Grupul turbo-compresor este prevazut cu o supapa ce permite scapari controlate de gaze arse pe langa turbina.

Acest sistem permite obtinerea unor performante ridicate prin faptul ca turbocompresorul raspunde cerin]elor atat la turatii reduse cat si la turatiile inalte ale motorului. La turatii ridicate gradul de supraalimentare este mentinut in limite acceptabile de catre supapa, rezultand o buna siguranta de functionare.

Modul de amplasare a supapei pe turbocompresor este prezentat in figura 24. (8; 6.5)

Supapa sesizeaza diferenta intre presiunea atmosferica si presiunea de supraalimentare data de compresor si realizeaza scaparea gazelor de evacuare pe langa turbina. Astfel se poate controla presiunea din colectorul de admisiune si se poate men]ine la nivelul cerut.

Supapa de descarcare este folosita pentru a controla cresterea de presiune de la nivelul ales de tura]ia cuplului maxim pana la un nivel cu pu]in mai mare la tura]ia puterii nominale.

In figura 25. prezinta functionarea supapei cu scapari controlate.

Din diagrama prezentata rezulta ca turbocompresoarele dotate cu o astfel de supapa permit supraalimentarea motoarelor de puteri mici pentru autoturisme, deoarece se asigura un cuplu maxim suficient de mare pentru demaraje rapide, iar la turatii mari presiunea de supraalimentare nu depaseste valoarea admisa pentru obtinerea unei presiuni maxime de ardere.

Un motor cu aprindere prin compresie supraalimentat poate produce aceeasi putere ca un motor cu aprindere prin compresie cu aspiratie naturala cu circa 40% cilindree unitara mai mare.