Supraalimentarea motoarelor cu ardere interna

Prin supraalimentare se intelege introducerea incarcaturii proaspete in cilindru la presiuni mai mari decat presiunea ambianta prin precomprimarea partiala sau totala a incarcaturii proaspete inainte de intrarea in motor.

Supraalimentarea se aplica pentru prima data la motoarele cu aprindere prin scanteie (m.a.s.) de avion pentru refacerea puterii , la 5.000 m altitudine puterea motorului scazand la jumatate datorita diminuarii densitatii de aer.

Supraalimentarea m.a.s. are neajunsul detonatiei. Deoarece presiunea si temperatura la inceputul comprimarii cresc, ele se majoreaza pe parcursul intregului ciclu , si apare situatia nedorita de geneza a unor nuclee de flacara in amestec care produc aprinderea inainte ca frontul de flacara generat de bujii sa ajunga in zona respectiva. Arderea anormala cu detonatii a facut ca supraalimentarea m.a.s. sa se restringa , ea revenind in actualitate in anii 70 in tractiunea rutiera , mai intai la cursele de Formula1 si mai apoi la motoare performante de autoturisme.

In cazul motoarelor cu aprindere prin compresiune (m.a.c.) supraalimentarea este benefica pentru procesul de aprindere si ardere si datorita temperaturii mai mari a aerului comprimat .Din acest motiv in prezent se supraalimenteaza si motoare de 40.50 Kw ,supraalimentarea avand ca efect cresterea presiunii si a densitatii fluidului proaspat, ceea ce conduce la majorarea presiunii efective Pe.

Daca se analizeaza relatia puterii : Pe = pe .Vs . i . n .tr

tc

se constata ca majorarea acesteia se poate face prin cresterea valorilor lui n si pe.

Majorarea turatiei este insa limitata deoarece fortele maselor in miscare de rotatie si a celor in miscare de translatie , cresc cu patratul vitezei unghiulare. Din acest motiv cel mai simplu mijloc pentru cresterea puterii , in conditiile mentinerii gabaritului motorului, este majorarea pe prin precomprimarea fluidului proaspat in afara motorului.

Intr-o schema sintetica supraalimentarea poate fi clasificata dupa urmatoarele criterii:

1.Mod de obtinere a presiunii pentru supraalimentare

a)      Suflanta volumica (cu piston in miscare alternativa sau cu rotor);

b)     Suflanta dinamica radiala , axiala sau radial-axiala , la care comprimarea fluidului este realizata pe baza impulsului primit de la paletele suflantei.

3.Mod de cuplare cu motorul si de prelucrare a energiei:

a)Supraalimentare mecanica cu suflanta cuplata la arborele motor ,

fara turbina cu gaze;

b)Turbosupraalimentarea consacrata , suflanta fiind antrenata de turbina cu gaze de pe esapare , grupul neavand legatura cinematica cu motorul ci numai gazodinamica;

c)Turbosupraalimentare mixta , grupul de turbosupraalimentare fiind cuplat si cu arborele motorului;

d)Turbosupraalimentare cu un grup turbina-suflanta si turbina de putere suplimentara antrenata separat de gazele de esapament compound.

Elemente privind procedeele de realizare a umplerii prin supraalimentare

1.Supraalimentarea simulata-este caracterizata de faptul ca suflanta 1 este antrenata de catre o masine exterioara motorului (de exemplu masina electrica 2) -fig1.Se practica pentru motoarele in doi timpi , lente, ca mijloc suplimentar de supraalimentare necesar pornirii si functionarii la sarcini partiale la care , datorita baleiajului intens , energia continuta de catre gazele esapate nu este suficienta pentru punerea in miscare a suflantei de catre turbina cu gaze.

2 1

Fig.1

2)Supraalimentare mecanica - presupune antrenarea suflantei 1 printr-un mecanism multiplicator de turatie 2 sau o transmisie hidrodinamica , aerul fiind livrat motorului 3 (fig. 2) . Seaplica mai ales pentru supraalimentarea joasa a motoarelor de tractiune rutiera , asigurandu-se adaptibilitatea la necesitatile traficului , desi performantele energetice de ansamblu sunt relativ modeste . Utilizarea transmisiei hidrodinamice aduce si avantajul amortizarii oscilatiilor de torsiune ale arborelui cotit .

Fig . 2

3)Turboupraalimentarea consacrata - este cea mai des utilizata , dispunandu-se de turbina 1 pusa in miscare de catre gazele de esapament , o suflanta 2 si motorul 3 (fig 3) . Intre motor si grupul de turbosupraalimen- tare nu exista nici un fel de legatura cinematica , ci numai una gazodinamica , ansamblul functionand prin autoreglaj , si anume :

-daca turatia nu este constanta si sarcina motorului se majoreaza , creste temperatura si entalpia gazelor de esapament , creste lucrul mecanic dezvoltat de turbina , creste presiunea fluidului proaspat livrat de suflanta , cresc temperaturile si presiunile pe ciclu , astfel incat motorul poate functiona la o sarcina majorata .

-daca sarcina este constanta si turatia motorului creste , se majoreaza debitul de gaze esapate , creste turatia turbinei si a suflantei si cu aceasta debitul livrat de suflanta , ansamblul motor-grup de supraalimentare autoreglandu-se autofunctional.

Dintre toate tipurile de supraalimentare , turbosupraalimentarea este cea mai extinsa , permitand relizarea unor presiuni medii efective de pana la 25 bar la motoarele in patru timpi , si de pana la 16 bar la motoarele in doi timpi .

3

Fig . 3

4)Supraalimentarea dupa procedeul turbocompound

Supraalimentarea dupa procedeul turbocompound , brevetata in 1957 , vizeaza -in primul rand reducerea consumului specific efectiv de combustibil prin valorificarea superioara a energiei continute in gazele de evacuare . Se suplimenteaza astfel nivelul de performanta obtinut prin majorarea randamentului grupului turbocompresor , care astazi depaseste 65% , ceea ceconduce la imbunatatirea conditiilor de baleiaj , umplere si de formare a amestecului si a arderii .

Procedeul turbocompound arein vedere ca cota parte din debitul de gaze esapate sa fie introdusa intr-o turbina de putere TP . Astfel se asigura micsorarea consumului specific efectiv de combustibil in raport cu schemele clasice de turbosupraalimentare . Cantitatea de gaze trimisa spre turbina de putere si de aici si energia ce o contin se determina de obicei pe calculator cu ajutorul unui model matematic complex ce descrie ciclul real de functionare al motorului in echipare completa , avandu-se in vedere reducerea consumului specific de combustibil , verdictul final fiind dat de standul de probe .

Turbina de putere poate functiona in paralel cu turbina de supraalimentare (metoda practicata la motoarele diesel de putere mare si foarte mare ) sau in serie cu aceasta antrenand si ea compresorul (solutie utilizata la motoare de tractiune rutiera si feroviara ) .

Fig . 4

Supraalimentarea motoarelor cu aprindere cu scanteie pentru autoturism

Pana nu de mult aplicata numai la motoarele de curse , supraalimentarea m.a.s. se aplica in ultimii 10.12 ani si la motoarele de serie .

Principalele probleme puse de supraalimentarea m.a.s. sunt :

-cresterea tendintei de ardere anormala , mai ales cu detonatie ;

-asigurarea gradului de adaptabilitate necesar conditiilor de cele ale autovehiculului , motorul trebuind sa functioneze intr-o gama foarte larga de turatii ;

-reducerea gabaritului , masei si a costului echipamentului de supraalimentare ;

-controlul temperaturii gazelor in fata turbinei este cu 200.250 grade C mai mare decat la m.a.c. , favorabil fiind faptul ca continutul mai redus de oxigen si lipsa sulfului si a vanadiului conduce la o mai redusa corozivitate a gazelor esapate .

Supraalimentarea m.a.s. impune luarea urmatoarelor masuri:

1)Masuri pentru reducerea tendintei de ardere detonanta

a)Reducerea avansului la producerea scanteii electrice nu poate fi luata in considerare din cauza tendintei de deplasare a arderii in destindere ;

b)Reducerea raportului de comprimare implica diminuarea economicitatii motorului ce poate fi partial compensata prin:

-optimizarea formarii amestecului si a aprinderii , folosind microprocesoare programate dupa date de stand ;

-reducerea pierderilor gazodinamice prin rationalizarea formelor traseelor de schimb de gaze ;

-utilizarea racitoarelor de intermediare de aer pentru fluidul prospat cu toate problemele de gabarit ;

2)Controlul solicitarilor termice se asigura prin racirea supapelor de evacuare cu sodiu introdus in alveole practicate in tija acestora . Pistonul se raceste cu ulei prin stropire iar pompa de fluid de racire se reconsidera pentru majorarea debitului .

3)Reglarea motorului este cantitativa , asigurata de obturator existand doua posibilitati :

a)Obturatorul se afla in fata suflantei , ceea ce aduce urmatoarele avantaje :

-se poate utiliza aceeasi tubulatura de admisiune ca si la motorul cu admisiune normala .

-acordarea carburatorului , daca acesta exista , cu motorul este mai simpla .

-combustibilul este repartizat uniform in amestec prin miscarea de vartej din suflanta , care determina si intensificarea turbulentei .

-vaporizarea combustibilului determina racirea fluidului motor .

Dezavantajul solutiei consta in faptul ca arborele suflantei trebuie foarte bine etansat pentru ca uleiul de ungere sa nu ajunga in amestecul proaspat, penalizandu-se astfel arderea si murdarindu-se camera de ardere.

b)Obturatorul se afla dupa suflanta , ceea ce impune folosirea unui carburator in doua trepte care poate fi mai usor acordat pentru evitarea macar partiala a pompajului .Protectie sigura de pompaj a suflantei se obtine prin by-pass-area fluidului prospat intr-o supapa comandata pneumatic sau electronic , care la sarcini partiale trimite aerul direct in colectorul de admisiune (Porsche 924 - Turbo) . Suflantele cu stator cu geometrie variabila elimina complet pompajul , ele fiind insa foarte scumpe, motiv pentru care nu se folosesc la motoare de puteri mijlocii-mici .

Turbosuflantele pentru autoturisme se construiesc obisnuit cu reglarea debitului dadmis in turbina prin evacuarea unei parti din gaze direct in conducta de evacuare , iar turbina si suflanta se dimensioneaza pentru un debit de gaze si aer corespunzator unei turatii medii .

In esenta , pentru supraalimentarea m.a.s. sunt necesare urmatoarele masuri :

1)Reducerea duratei baleiajului pentru diminuarea pierderilor de combustibil .

2)Cresterea sectiunii supapelor , recomandandu-se 2 (3) supape de admisiune si 2 de evacuare .

3)Introducerea sodiului in tija supapei de evacuare pentru accelerarea evacuarii caldurii .

4)Cresterea dimensiunilor radiatorului .

5)Realizarea unor echipamente de supraalimentare miniaturizate , care este inca dificila tehnologic .

6)La utilizarea injectiei de benzina se aplica racirea pulverizatorului injectorului cu aer .

7)Racirea intr-un radiator separat a uleiului pentru grupul de supraalimentare .

8)Folosirea unor materiale de calitate superioara la confectionarea principalelor organe ale motorului .

Concluzii asupra umplerii prin supraalimentare

1)Pentru m.a.c. , darsi pentru m.a.s. , supraalimentarea este mijlocul principal de majorare a puterii si reducere a costului motorului si a dimensiunilor sale , folosite fiind azi la m.a.i. in patru timpi cu presiuni medii efective pana la 18-25 bar si la cele in doi timpi de puteri mari si foarte mari cu pe=10-16 bar .

Cele mai des supraalimentate sunt m.a.c. , dar supraalimentarea s-a extins si asupra m.a.s. , fiind des utilizate la alimentarea acestora cu gaze combustibile .

Obisnuit se supraalimenteaza motoare cu puteri peste 50 kw .

2)Posibilitati de dezvoltare in continuare a supraalimentarii sunt legate de :

a)-aplicatii cu supraalimentarea in doua trepte practicata in primul rand la motoare cu aprindere prin comprimare lente in doi timpi care conduce la majorari de putere de pana la 60% , in conditiile folosirii unor combustibili grei .

b)-perfectionarea supraalimentarii are in vedere majorarea randamentului global al grupului de turbosupraalimentare si in primul rand al suflantei , care are inca rezerve in ceea ce priveste bilantul energetic global al motorului . Totodata , exista preocupari pentru reducerea zgomotului produs de grupul de supraalimentare .

3)Majorarea presiunilor de supraalimentare trebuie coroborata cu reducerea raportului de comprimare in primul rand pentru controlul tensiunilor termice , aceasta majorare fiind limitata si de necesitatea unei reglari corecte a grupului de supraalimentare la motor .

De asemenea , cresterea turatiilor motoarelor supraalimentate are impedimente in legatura cu majorarea debitelor de gaze arse livrate turbinei si de aer proaspat livrat de suflanta , ceea ce impune majorarea sectiunilor echivalente pentru cele doua masini .

Avantajul densitatii majorate de putere face practic astazi indispensabila supraalimentarea in unele domenii (tractiune navala ,feroviara si tractiunea rutiera medie si grea ) .

4)Echipamentul de supraalimentare e pretentios la executie , nivelul tehnologic fiind similar celui aerospatial , care este cel mai ridicat nivel din domeniul constructiilor de masini .