Rez. tz.-06

UNIVERSITATEA "TRANSILVANIA" BRAŞOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC ing. Neculai IUREA STUDII EXPERIMENTALE ŞI ÎN MEDIUL VIRTUAL CU PRIVIRE LA FUNC IONAREA UNUI MOTOR DIESEL NAVAL SUPRAALIMENTAT ÎN REGIM TRANZITORIU DE ACCELERARE EXPERIMENTAL AND VIRTUAL STUDIES ABOUT THE FUNCTIONING OF A SUPERCHARGED DIESEL ENGINE IN A TRANSITORY ACCELERATION STATE REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT SUMMARY OF PHD THESIS Conducător ştiinţific: Prof. univ.dr.h.c. ing. Gheorghe BOBESCU BRAŞOV 2010 1 MINISTERUL EDUCA IEI, CERCET RII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV B-DUL EROILOR, NR. 29 - 500036, TEL. 0040413000, FAX 0040268410525 RECTORAT D-nei / lui............................................................. COMPONEN A Comisiei de doctorat Numit pri Ordinul Rectorului Universit ii Transilvania din Braşov nr. 4146/12.07.2010 PREŞEDINTE: prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU DECAN Facultatea Inginerie Mecanic Universitatea „Transilvania” din Braşov CONDUC TOR ŞTIIN IFIC: prof. univ. dr. ing., dr. h. c. Gheorghe BOBESCU Universitatea „Transilvania” din Braşov REFEREN I: prof. univ. dr. ing. Traian FLOREA Academia Naval „Mircea cel B trîn” din Constan a prof. univ. dr. ing. ec. Lauren iu MANEA Universitatea „Ovidius” din Constan a prof. univ. dr. ing. dr. h. c. Gheorghe Alexandru RADU Universitatea „Transilvania” din Braşov Data, ora, şi locul sus inerii publice a tezei de doctorat: Miercuri, 29 septembrie 2010, ora 10.00, sala UI II. Aprecierile sau observa iile asupra con inutului lucr rii, v rug m s le transmite i în timp util pe adresa Universit ii „Transilvania” din Braşov, la Catedra Autovehicule şi Motoare a Facult ii de Motoare sau pe adresa de e-mail: [email protected]. 2 INTRODUCERE Lucrarea de fa îşi propune prezentarea unor aspecte esen iale legate de influen ele regimurilor tranzitorii de func ionare ale motoarelor cu ardere intern , alimentate cu combustibili grei, asupra performan elor dinamice şi ecologice ale navelor maritime şi fluviale speciale pe care acestea le echipeaz . Studiile autorului, legate de regimurile func ionale ale motorului diesel, au fost începute din anul 2003. Este meritul în primul rând al conduc torului ştiin ific, prof. univ. dr.h.c. ing. Gheorghe BOBESCU, care a propus spre cercetare, func ionarea motorului diesel supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare, în septembrie 2004, dup diserta ia prezentat de c tre autor. Preocup rile unor membri ai Catedrei de Autovehicule şi Motoare, a Facult ii de Inginerie Mecanic din cadrul Universit ii „Transilvania” din Braşov, legate de studiul şi dezvoltarea motoarelor diesel supraalimentate, cu injec ie direct , de înalt performan , sunt îns şi mai vechi. Doresc s -i adresez cele mai sincere mul umiri şi toat considera ia mea, domnului prof. univ. dr.h.c. ing. Gheorghe BOBESCU, conduc torul ştiin ific al tezei, pentru îndrumarea competent şi tot sprijinul acordat pe întreaga perioad a desf şur rii preg tirii de doctorat. in s le mul umesc de asemenea domnilor prof. univ. dr. ing: Alexandru-Gheorghe RADU, Lauren iu MANEA, Alexandru DRAGALINA, Anghel CHIRU pentru sprijinul şi ideile valoroase date în diferite momente de realizare a lucr rii. Un sprijin deosebit pentru efectuarea cercet rilor experimentale l-am avut din partea d-lui ing. Neculai HONCIUC de la uzina „Hidromecanica-2”-Braşov, iar pentru partea de modelare – simulare am colaborat cu d-na prof. dr. Ligia SPORIŞ de la Academia Naval „Mircea cel B trîn”, respectiv cu dl. cpt. ing. informatician Tiberiu MOLDOVAN din cadrul Centrului de Instruire, Simulare şi Evaluare al For elor Navale-Constan a, c rora le mul umesc de asemenea. Doresc s mai mul umesc pe aceast cale şi colegilor care m-au ajutat într-un fel sau altul pe perioada de timp afectat elabor rii lucr rii. Nu în ultimul rând, mul umesc so iei şi fiicei pentru în elegerea şi sprijinul acordate în momentele cele mai grele de preg tire a acestei lucr ri. Constan a 2010, Neculai IUREA 3 CUPRINS T R INTRODUCERE.............................................................................................................. 2.......3 1 SCOPUL ŞI OBIECTIVELE LUCR RII......................................................................5.......5 2 REGIMURILE TERMICE ŞI CARACTERISTICILE MOTOARELOR NAVALE..........................................................................................................................7.......6 2.1 Regimurile de func ionare ale motoarelor termice..........................................7.......6 2.2 Regimul stabilizat (permanent)....................................................................... 8.......6 2.3 Regimurile tranzitorii.......................................................................................9.......6 2.4 Caracteristicile regimurilor tranzitorii............................................................14......7 2.5 Regimul de accelerare al motorului................................................................14......7 2.6 Influen a avansului la injec ie şi a sarcinii motorului asupra duratei acceler rii; fenomene ondulatorii în canaliza iile de admisie şi evacuare...............................16......8 3 SUPRAALIMENTAREA MOTORULUI DIESEL NAVAL..................................... ..24.....9 3.1 Principii de realizare a supraaliment rii..........................................................24.....9 3.6 Supraalimentarea for at (mixt ).....................................................................37...10 4 CERCETAREA EXPERIMENTAL A FUNC ION RII MOTORULUI DIESEL LA REGIM TRANZITORIU DE ACCELERARE.................................................................46...13 4.1 Generalit i.......................................................................................................46...13 4.3 Aspecte specifice în cercetarea regimurilor tranzitorii de func ionare ale motoarelor diesel navale supraalimentate..........................................................................48...13 4.4 Optimizarea func ion rii motorului cu turbosuflanta………………………...50..15 5 POSIBILIT I DE MICŞORARE A DURATEI DE FUNC IONARE A MOTOARELOR DIESEL SUPRAALIMENTATE LA REGIMURI TRANZITORII DE ACCELERARE.................................................................................................................63...19 5.1 Durata regimurilor tranzitorii – o problem de economicitate şi eficien a motoarelor diesel navale supraalimentate........................................................................63.....19 5.1.1 Modalit i constructive şi func ionale de micşorare a duratei regimurilor tranzitorii de pornire şi accelerare a motoarelor diesel supraalimentate..............63.....19 5.2 Echipamente de sc dere a emisiilor de noxe din gazele de evacuare ale motoarelor diesel navale şi de optimizare a func ion rii la regimul tranzitoriu de accelerare...........72.....21 5.2.1 Monitorizarea noxelor la motoarele diesel......................................74.....22 5.2.2 Minimizarea noxelor.......................................................................76.....22 6 CONSIDERA II PRIVIND MODELAREA MATEMATIC ...................................87.....23 6.1 Aspecte generale............................................................................................87.....23 6.2 Necesitatea model rii şi simul rii func ion rii unui sistem tehnic................87.....23 6.3 Modelarea matematicã a regimurilor tranzitorii; ipoteze generale ale func ion rii agregatului motor - turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare............................88.....24 6.4 Aspecte ale comport rii dinamice a motorului de propulsie..........................88.....24 6.4.1 Modelarea dinamicii motorului diesel supraalimentat...................88.....24 6.4.2 Modelarea dinamicii turbosuflantei................................................95.....26 6.4.3 Modelarea dinamicii colectorului de admisie.................................97.....27 6.5 Validarea modelului elaborat.........................................................................98.....27 6.5.1 Simularea numeric a dinamicii turbosuflantei..............................99.....28 6.5.2 Simularea numeric a dinamicii colectorului de admisie\evacuare103...31 6.5.3 Simularea numericã a dinamicii motorului diesel supraalimentat..105...31 6.5.4 Studiu de caz (scenariu aplicativ – practic).................................106....32 7. CONCLUZII...............................................................................................................112....35 4 7.1 Concluzii finale............................................................................................112....35 7.2 Contribu ii personale şi deschideri ale tezei de doctorat...............................113....36 BIBLIOGRAFIE.............................................................................................................115....38 PRESCURT RI UTILIZATE ÎN LUCRARE...............................................................120 Anexe..............................................................................................................................122....41 Anexa 4.1...........................................................................................................122....42 Anexa 4.2...........................................................................................................132....43 Anexa 6.1...........................................................................................................137....43 Rezumat....................................................................................................................................44 Abstract.....................................................................................................................................44 Curriculum vitae.......................................................................................................................45 5 1 SCOPUL ŞI OBIECTIVELE LUCR RII Scopul principal al lucr rii este de optimizare a func ion rii unui motor diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare. Având în vedere problematica supus analizei în cadrul lucr rii, principalele obiective urm rite sunt urm toarele: 1. Elaborarea şi aplicarea unei metodologii unitare şi coerente de studiu teoretic, experimental şi prin modelare – simulare, a dinamicii unui agregat motor - turbosuflant , printr-o abordare sistemic şi interdisciplinar , cu mijloace şi procedee utilizate la ora actual pe plan mondial şi prin aplicarea conceptelor şi algoritmilor de deservire ale motoarelor. 2. Desf şurarea de cercet ri experimentale asupra unui agregat de supraalimentare prin folosirea unei aparaturi de investigare, cu posibilit i de achizi ie, stocare şi prelucrare a datelor şi prin efectuarea unor încerc ri care s concorde cu o situa ie care apare cu o frecven mare în exploatarea agregatului motor – turbosuflant , anume accelerarea – foarte des întâlnit în practic . 3. Eviden ierea şi aplicarea în studiul dinamicii motoarelor diesel navale supraalimentate a unor procedee de analiz calitativ , pe baza datelor experimentale; 4. Stabilirea modelelor matematice aplicabile studiului dinamicii motoarelor diesel navale supraalimentate pe baza datelor experimentale, prin aplicarea conceptelor şi procedeelor specifice domeniului analizei prin identificare a comportamentului dinamic. 5. Eviden ierea diferen elor dintre studiul clasic al comport rii dinamice a motorului diesel naval supraalimentat, cu nava la cheu şi cel bazat pe utilizarea m rimilor ob inute la încerc rile aceluiaşi motor, aflat la bordul navei care execut o misiune. 6. Constituirea unei baze de date referitoare la func ionarea motoarelor diesel navale supraalimentate şi la performan ele de putere, dinamicitate şi de economicitate ale acestora. Etapele corespunz toare desf şur rii cercet rilor Structura lucr rii este pe şase capitole. Astfel, capitolul 1 prezint scopul şi obiectivele lucr rii. În cadrul capitolului 2 sunt sintetic prezentate caracteristicile func ionale şi regimurile de func ionare ale motoarelor diesel navalizate, cu accent pe analiza func ion rii acestora în regim tranzitoriu de accelerare. Capitolul 3 este destinat prezent rii succinte a modalit ilor de supraalimentare pentru motoarele diesel navalizate, cât şi fenomenele specifice acestui proces. Capitolul 4 este destinat activit ii de cercetare experimental a func ion rii agregatului motor diesel naval – turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare. Capitolul 5 face o analiz a procedeelor de micşorare a duratei de func ionare a motoarelor diesel navale supraalimentate în regim tranzitoriu de accelerare. Capitolul 6 este destinat considerentelor legate de modelarea şi simularea matematic a func ion rii unui motor diesel naval supraalimentat aflat în func iune în regim tranzitoriu de accelerare, eviden iindu-se faptul c , prin aplicarea metodelor de simulare numeric se pot ob ine rezultate comparabile cu cele reale. În final se prezint concluziile generale şi contribu iile personale aduse în studiul teoretic, experimental şi prin modelare/simulare al comportamentului dinamic pentru motoarele diesel navale supraalimentate; analizându – se şi posibilele deschideri oferite de aceste cercet ri. 6 2 REGIMURILE TERMICE ŞI CARACTERISTICILE MOTOARELOR NAVALE Regimul de func ionare al unui motor naval este caracterizat de condi iile de exploatare, reliefate prin indicatorii de putere mecanic şi de economicitate, analiza i din punctul de vedere al solicit rilor termice şi mecanice. Trei sunt m rimile fundamentale care definesc regimul de func ionare al unui motor: sarcina, tura ia arborelui cotit şi regimul termic al agregatului. Pentru aprecierea calitativ şi cantitativ a regimului de func ionare, se folosesc urm toarele categorii de indicatori: economico-energetici (consumurile de combustibil, puterea, tura ia, presiunile amestecului carburant etc.) şi de exploatare (presiuni şi temperaturi ale fluidelor de lucru). 2.1 Regimurile de func ionare ale motoarelor termice Motoarele navale de propulsie func ioneaz în diferite condi ii de exploatare, determinate de starea tehnic a navei şi a instala iei de propulsie, dar şi de condi iile externe de naviga ie, tipul şi înc rc tura navei, modul de transmitere a energiei de la motor la propulsor. 2.2 Regimul stabilizat (permanent) Regimul stabilizat este cel în care indicii de func ionare ai motorului (n - tura ie, M - cuplu, stare termic etc) nu variaz în timp, func ionarea acestuia fiind stabil şi de lung durat . [46]. Astfel, func ie de durata de func ionare a motorului, se disting: • regimuri de func ionare continu ; • regimuri de func ionare intermitent . Regimul de func ionare continu este acel regim în care, la orice tura ie, motorul dezvolt în mod continuu cea mai mare putere efectiv , cel mai mare moment motor efectiv şi cea mai mare presiune medie efectiv , cu condi ia ca indicatorii tehnico-economici şi de fiabilitate s r mân constan i [46]. M rimile enumerate se numesc m rimi efective continue şi se noteaz cu Pec, Mec şi pec. În figura 2.1 este prezentat locul geometric al tuturor punctelor Pec şi Mec. Regimul de func ionare intermitentă este acela în care puterea efectiv , momentul motor efectiv şi presiunea medie efectiv sunt superioare m rimilor Pec, Mec şi pec pentru intervale scurte de timp, f r a fi afectate durabilitatea şi inuta de serviciu pentru motor. Valorile maxime ale puterii, momentului motor şi presiunii medii pe care acesta le dezvolt la regimuri intermitente se numesc: putere efectiv intermitent (Pei), moment motor intermitent (Mei) şi presiune medie intermitent (pei). În aceeaşi figur se indic şi locul geometric al tuturor punctelor Pei şi Mei, domeniul haşurat reprezentând domeniul de supraputeri al motorului diesel. Se observ de asemenea c Pec şi Pei trec prin valori maxime („vârfurile de putere” Pec max şi Pei max). Tura ia corespunz toare vârfului de putere se numeşte tura ie de putere maxim np. În mod analog, Mec şi Mei ating valori maxime („vârful de moment”), iar tura ia corespunz toare se numeşte tura ie de moment maxim nM. La motoarele diesel, m rimea Pe max este situat în afara domeniului de func ionare. 2.3 Regimurile tranzitorii Regimul tranzitoriu este cel în care se înregistreaz varia ia în limite largi ale parametrilor func ionali, situa ie în care puterea generat de c tre motor difer de puterea de utilizare (puterea la elice). 7 Acesta presupune o evolu ie în timp între dou st ri stabile; el asigur trecerea de la un regim permanent la altul, precum şi opera iunile de pornire (lansare), inversarea sensului de marş şi oprirea motorului. Caracterul variabil în timp a unui parametru func ional oarecare al motorului prezint interes practic deosebit pentru c ilustreaz o serie de propriet i dinamice care determin comportarea sa în exploatare. 2.4 Caracteristicile regimurilor tranzitorii Pentru analiza regimului nesta ionar sau tranzitoriu de func ionare a unui motor diesel, se urm reşte varia ia func ie de timp a unuia dintre parametrii: dPe d( M e ) dM e d = = +Me , (2.10) dτ dτ dτ dτ în care: dM e d şi sunt derivatele par iale ale cuplului şi respectiv, vitezei unghiulare de rota ie. dt dt În figura 2.8 sunt redate caracteristici statice şi dinamice specifice unui motor diesel, dup cum urmeaz : 1 - caracteristica static exterioar ; 2 caracteristica dinamic exterioar ; 3 - caracteristica static de sarcin ; 4 - caracteristica dinamic de sarcin ; 5 caracteristica static de putere constant ; 6 - caracteristica dinamic de putere constant . Graficul trasat în coordonatele Me = f(ω), poate fi reprezentat în câmpurile regimurilor sta ionare ale motorului, devenind posibil aplicarea aceloraşi rela ii de dependen , precum şi precizarea gradului de utilizare a puterilor statice posibile ale motorului în condi ii nesta ionare de func ionare. Valorile instantanee ale momentului motor la regimuri tranzitorii determinante sunt, de regul , mai mici decât la regimurile sta ionare. Fig. 2.8 Caracteristicile statice şi dinamice ale unui motor diesel 2.5 Regimul de accelerare al motorului Accelerarea are loc pornind de la un regim stabilizat caracterizat de o tura ie constant şi se termin cu un alt regim stabilizat, caracterizat de o tura ie constant mai ridicată decât cea anterioar . Parametrul definitoriu al regimului de accelerare este durata, m surat din momentul ac ion rii pedalei (cremalierei pompei de injec ie) de accelera ie şi pân la atingerea tura iei corespunz toare regimului stabilizat consecutiv regimului tranzitoriu. Un alt parametru care poate caracteriza regimul tranzitoriu de accelerare îl reprezint num rul de cicluri efectuate de c tre motor între cele dou regimuri stabilizate care îl încadreaz . În figurile 2.9 şi 2.10 se prezint curbele deplas rii pârghiei de comand a pompei de injec ie, deplas rii cremalierei sub ac iunea regulatorului, precum şi a tura iei arborelui cotit în procesul de accelerare [12]. Ambele figuri prezint m rimi ale aceluiaşi proces de accelerare. La început se poate observa o perioad care se desf şoar la regim stabilizat. O dat cu ac ionarea pârghiei de comand a pompei de injec ie, cremaliera, sub ac iunea regulatorului de tura ie, se deplaseaz foarte rapid pân la nivelul cursei maxime. Aceast deplasare determin pulverizarea în cilindru a unei doze foarte mari de combustibil. Neavând la dispozi ie suficient aer, combustibilul nu arde în totalitate şi, ca urmare, în gazele de evacuare apare o cantitate considerabil de particule (arderi incomplete, economicitate micşorat , randament sc zut). 8 Procesul tranzitoriu de accelerare duce la creşterea temperaturii pere ilor camerei de ardere şi, astfel, din ce în ce mai mult combustibil se evapor , îns , din cauza lipsei de aer, nu poate arde în întregime. Totuşi, dup câteva cicluri (în cazul nostru opt), regimul tranzitoriu se "stabilizeaz " astfel încât presiunea din cilindru atinge aceleaşi valori. Debitul de combustibil injectat în cilindru r mâne maxim atâta timp cât regulatorul pompei de injec ie men ine cremaliera în pozi ia cursei maxime. Durata debitului maxim depinde în mod considerabil de cuplul rezistent (sarcina), pe care trebuie s -l (o) înving motorul, precum şi de valoarea avansului la injec ie. Dup perioada în care cremaliera se men ine în palier, începe retragerea lent a acesteia pân la pozi ia corespunz toare debitului necesar regimului stabilizat consecutiv acceler rii. 2.6 Influen a avansului la injec ie şi a sarcinii motorului asupra duratei acceler rii; fenomene ondulatorii în canaliza iile de admisie şi evacuare Avansul la injec ie afecteaz în mare m sur durata procesului de accelerare. Creşterea sarcinii nu determin în mod constant m rirea duratei în care cremaliera r mâne în palier. Se observ c avansurile mici nu sunt cele mai avantajoase, ajungându-se ca la presiunea medie efectiv de 0,51 MPa, cel mai bun avans la injec ie s fie de 23 0RAC. În figura 2.13 se prezint durata corespunz toare acceler rii (m surat în num r de cicluri), în care cremaliera pompei de injec ie se g seşte la pozi ia de debit maxim [12]. Cele prezentate argumenteaz necesitatea modific rii avansului la injec ie în scopul ob inerii puterii maxime în timpul desf şur rii procesului de accelerare. Sarcina influenţează durata procesului de accelerare; este evident faptul c odat cu m rirea momentului motor util, durata procesului de accelerare creşte. Pentru analizarea comportamentului motorului cu aprindere prin comprimare la accelerarea cu sarcini diferite, se aleg mai multe trepte de înc rcare a frânei standului de încerc ri. Aceste înc rc ri se exprim printr-un parametru efectiv al motorului şi anume presiunea medie efectiv , m surat în MPa. Se observ (fig. 2.15), c cele mai scurte perioade de func ionare la debit maxim se ob in 9 la sarcini reduse, iar cele mai lungi, la sarcini ridicate. Cele trei curbe reprezint varia ia duratei în care pompa de injec ie debiteaz cantitatea maxim de combustibil la cele trei avansuri diferite luate în considerare [12]. Avansul la injec ie indicat de constructorul motorului (190RAC), asigur func ionarea corespunz toare a agregatului în timpul accelerării numai în cazul sarcinilor mijlocii. La sarcini mici, motorul asigur performan ele cele mai bune pentru avansuri la injec ie mici, iar la sarcini mari sunt mai avantajoase avansurile mari. Concluzii: 1. Regimul tranzitoriu (nesta ionar), la care cuplul motor şi viteza unghiular de rota ie variaz continuu în timp, nu este recomandat pentru agregat, pentru c în aceast situa ie are loc reducerea semnificativ a economicit ii sale, pe fondul creşterii pierderilor iner iale datorate înr ut irii form rii amestecului carburant, dar şi a arderii defectuoase la acceler ri repetate. 2. Regimul tranzitoriu de accelerare este de dorit s fie cât mai scurt, pentru ca energia cinetic a maselor în mişcare de rototransla ie, s fie cât mai mic . Pentru domeniul naval au fost enumerate situa iile când un M.A.C. este exploatat în regim tranzitoriu, aceste regimuri putând fi mai scurte sau mai lungi (dictate fiind atât de c tre factorii externi corpului navei, cât şi de cei interni). 3. Prin existen a unor arm turi (clape i), în cadrul variantelor de optimizare a supraaliment rii motorului naval, se armonizeaz procesul de schimb de gaze. Dar, prin asimetrizarea procesului cresc indicatorii de exploatare şi economicitatea motorului diesel, func ionarea acestuia îmbun t indu-se pe timpul regimului tranzitoriu de accelerare. 3 SUPRAALIMENTAREA MOTORULUI DIESEL NAVAL 3.1 Principii de realizare a supraaliment rii Sporirea masei de aer în decursul umplerii cilindrului prin creşterea densit ii, în scopul creşterii puterii motorului, se numeşte supraalimentare [46]. Sau, supraalimentarea este procedeul de creştere a puterii motorului prin m rirea presiunii înc rc turii de aer proasp t. Este modalitatea care a câştigat teren în detrimentul altor c i de m rire a puterii motoarelor precum: creşterea dimensiunilor cilindrului, a num rului de cilindri sau a tura iei motorului. Prin supraalimentare creşte puterea motorului necesar compens rii pierderilor atunci când acesta func ioneaz în regim tranzitoriu pe o mare cu valuri sau alte obstacole. La turbina cu geometrie variabilă (fig. 3.13), viteza de curgere a gazelor este controlat prin modificarea geometriei ajutajelor statorului (are loc practic reglarea pozi iei vole ilor/aripioarelor directoare – statorice pe închis/deschis mai mult sau mai pu in, cu ajutorul unei capsule pneumatice de pilotare, dispus ca un platou turnant/inel concentric cu axul), func ie de cantitatea de gaze arse furnizate turbinei de c tre motor. 10 Comanda camelor platoului este automatizat ; pneumatic (fig. 3.14), sau electric. Acest agregat echipeaz motoarele care func ioneaz la diverse regimuri, reducându-se astfel timpul de atingere a valorii de presiune cu aproximativ 30%, tot cu atât reducându-se şi cantit ile de noxe, iar consumul specific de combustibil scade cu circa 10% . Paletele statorice, în mişcarea lor de rota ie, vor pivota la unghiul comandat de diferen a de presiune a aerului dintre ieşirea şi intrarea suflantei, fie prin intermediul camelor, fie a unor pârghii cu cremaliere de reglare a pozi iei acestora. Fig. 3.14 Sec iune transversal a inelului de reglare a paletajului statoric la turbina cu geometrie variabil , func ie de sarcina motorului La bordul navelor moderne exist un microcalculator care are capacitatea de punere în eviden a avantajelor supraaliment rii prin turbin cu geometrie variabil , comparativ cu celelalte metode de acordare a turbosuflantei cu motorul, aceasta furnizând o valoare a presiunii de supraalimentare pentru aer corespunz toare regimului la care func ioneaz motorul, chiar şi pentru tura ii sc zute (fig. 3.15). 3.6 Supraalimentarea for at (mixt ) Întrucât M.A.C. func ioneaz într-un domeniu larg de tura ii, rezult c este necesar o reglare a presiunii de supraalimentare, pentru a se asigura presiuni suficiente de aer la diferite tura ii. 11 Dup cum am mai spus, reglarea presiunii aerului de supraalimentare la acceler rile – deceler rile motorului se realizeaz prin mai multe metode constructive (implicit şi func ionale), cele mai aplicate fiind: turbosuflanta clasic , turbina cu geometrie variabil , supapa de tip „wastegate” etc. În continuare vor fi prezentate şi alte variante constructive, aplicate cu succes motoarelor diesel, func ie de tipul şi firma produc toare. Pentru motorul diesel naval, supraalimentarea mixt se realizeaz în mai multe variante constructive [16]: Fig. 3. 21 Variante de supraalimentare for at a. Supraalimentarea M.A.C. în 4 timpi cu agregat turbocompresor, care utilizeaz energia gazelor arse prin destinderea prelungit a acestora în paletajul turbinei, rezultând astfel lucrul mecanic necesar antren rii suflantei (fig. 3. 21). La varianta din figura 3. 21.a, flexibilitatea supraaliment rii este asigurat de clapetul B2, care se va deschide pentru sarcini de sub 50% asigurând astfel optimizarea func ion rii motorului la sarcini par iale mici. La varianta din figura 3. 21.b, care are un convertor de impuls (CI) pe colectorul de evacuare şi un clapet by-pass între tubulatura de refulare a suflantei şi cea de evacuare a gazelor arse din motor, precum şi un clapet regulator pe colectorul de admisie. b. Sistemul de supraalimentare secven ial (fig. 3.25). Pentru regimuri joase func ioneaz numai perechea T1 – S1, iar la regimuri ridicate, ambele agregate. Reducerea solicit rilor termice şi mecanice ale motorului se poate ob ine şi prin creşterea cantit ii de aer. O parte din aceasta trece prin cilindru f r s ia parte la ardere, ceea ce nu este eficient. Pentru a remedia acest neajuns se creşte valoarea unghiului de suprapunere a deschiderii Fig. 3.25 Sistem de supraalimentare „secven ial”; la regimuri joase func ioneaz numai grupul T1-S1, iar la regimuri înalte, ambele grupuri supapelor, care va determina o îmbun t ire a umplerii. Acest lucru este datorat micşor rii cantit ii de gaze arse r mase în cilindru [97]. 12 Figura 3. 29 ne arat c r spunsul la accelerare al motorului echipat cu turbin cu geometrie variabil , c ruia îi variaz sarcina (tura ia), este mai scurt comparativ cu r spunsul aceluiaşi motor, dar echipat cu supap de tip „wastegate”. O alternativ mai pu in costisitoare o constituie echiparea motorului cu înc o suflant ac ionat electric (fig. 3. 30), prin intermediul c reia are loc suplimentarea cu aer proasp t a motorului atunci când momentul de iner ie la axul turbinei este mic. De altfel, şi din grafic (fig. 3. 31), se disting performan ele la accelerare ale motorului termic echipat cu supap „wastegate” (linia întrerupt ), comparativ cu suflanta ac ionat electric sau turbina cu geometrie variabil (linia continu ) [82]. 13 Ambele echipamente vor r spunde mai rapid la varia ia de tura ie pentru arborele cotit al motorului astfel încât, comparativ cu turbosuflanta clasic , acestea vor face ca agregatul de supraalimentare s ajung la sarcina total într-un timp mult mai scurt. Concluzii: 1. Puterea unui motor creşte îns cu creşterea cantit ii de combustibil ars într-un ciclu, ceea ce necesit creşterea masei de aer existent în cilindru la sfârşitul procesului de umplere. 2. O cale de evitare a îmbog irii excesive a amestecului în perioada accelerării şi de limitare în acest fel a fumului de pe evacuare (gradul de fum se m soar în unit i „Bosch” şi variaz pe o scar cuprins între 1 şi 6, când agregatul a intrat în regim optim, limita trebuie s tind c tre valoarea 1, maxim 2), este ca pompa de injec ie s fie echipat cu un limitator de debit care ac ioneaz în func ie de valoarea presiunii aerului de supraalimentare. 3. Utilizarea unei turbine cu geometrie variabil reduce timpul de răspuns la accelerare al motorului, iar la creşterea sec iunii de curgere a gazelor arse, scade contrapresiunea din traseul de evacuare. Acest fapt duce la o îmbun t ire a umplerii cilindrilor cu amestec proasp t, implicit o creştere global a performan elor motorului. 4. La M.A.C. supraalimentat consumul specific de combustibil se reduce comparativ cu M.A.C. cu aspira ie natural ; aceast sc dere este mai pronun at cu cât este mai redus sarcina motorului. 5. Datorit aportului suplimentar de aer care are loc o dat cu creşterea tura iei, un M.A.C. supraalimentat emite o cantitate de fum mult mai redus fa de un motor cu aspira ie natural (este mai nepoluant). 4 CERCETAREA EXPERIMENTAL A FUNC ION RII MOTORULUI DIESEL LA REGIM TRANZITORIU DE ACCELERARE 4.1 Generalit i Un program de cercetare experimental a func ion rii unui agregat naval supraalimentat în regim tranzitoriu (în caz particular, de accelerare), trebuie s înceap cu ridicarea principalelor caracteristici de func ionare ale acestuia la regimuri stabile, apoi trebuie determinate principalele m rimi de stare ale procesului de schimb de gaze în corelare cu desf şurarea întregului ciclu de func ionare. Dac s-au stabilit m rimile care trebuie m surate, se lanseaz motorul, se atinge func ionarea în gol, dup care se procedeaz la introducerea treptat în sarcin şi la accelerarea acestuia. Aprecierile cantitative şi calitative ale comport rii motorului în regim tranzitoriu se pot face doar prin analiza comparativ a m rimilor ob inute experimental, cu cele de func ionare ale motorului în regimuri stabilizate. M rimile specifice regimului tranzitoriu se vor reprezenta în coordonate relative, acestea fiind raportate la valorile corespunz toare regimului stabil (toate m rimile se reprezint grafic în aceleaşi sisteme de coordonate, de aşa natur încât vor rezulta diferenţe între comportarea agregatului în cele dou regimuri de func ionare). 4.3 Aspecte specifice în cercetarea regimurilor tranzitorii de func ionare ale motoarelor diesel navale supraalimentate Cercetarea experimental a regimului tranzitoriu de func ionare al motoarelor diesel navale se caracterizeaz printr-o complexitate deosebit de ridicat datorit varia iei rapide în timp a unui num r mare de parametri [9]. Drept urmare, pentru prima etap a cercet rii este necesar stabilirea cu claritate a tematicii şi a problemelor de investigat, în strâns concordan cu scopul final; optimizarea func ion rii agregatului motor diesel naval – turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare. 14 4.4 Optimizarea func ion rii motorului cu turbosuflanta. Pentru studiul (tehnico - aplicativ), de optimizare a func ion rii motorului diesel (MD) navalizat supraalimentat, de tip „ALCO” care are urm toarele caracteristici principale [42]: - num rul de cilindri – 12, - alezaj – 228 mm, - cursa – 267 mm; - cilindreea – 131400 cm3, - raportul de compresie – 12,5; - tura ia nominal – 1000 rot/min, - tura ia maxim – 1100 rot/min, - tura ia minim – 400 rot/min, - puterea nominal – 2460 CP, - puterea maxim – 2650 CP, - presiunea de lansare – 6...10 bar, - consum specific de combustibil – 161...166 g/CPh şi echipat cu o turbosuflant din familia TS 6, tip 131, la regimuri tranzitorii de accelerare, a fost necesar efectuarea unei cercet ri experimentale a agregatului de supraalimentare. Aceasta s-a realizat pe standul de probe „AU-7650” (fig. 4.3), (atestat în conformitate cu prevederile OMT nr. 410 din 1999), aflat în incinta uzinei „Hidromecanica - 2” Braşov [22], cu scopul determin rii m rimilor tehnice func ionale specifice proceselor tranzitorii de accelerare pentru turbosuflanta care echipeaz acest tip de motor, cu urm toarea modificare constructiv la turbosuflant ; un orificiu cu clapet (şib r) sau „van ” prev zut în amonte de paletajul suflantei, pe tubulatura de admisie aer, astfel încât s se genereze regimul nestabilizat în func ionarea turbinei. Fig. 4.3 Standul de probe turbosuflante de la uzina „Hidromecanica - 2” Braşov Fig. 4.4 Tabloul de comand al standului Dup ce s-a pus în mişcare de rota ie agregatul, s-a crescut treptat tura ia pân la cea maxim admisibil . Valorile ob inute la prima încercare sunt cuprinse în fişa de control (tabelul nr. 4.1, anexa nr. 4.1, pag. 122 din tez ). Valorile ob inute la urm toarele nou încerc ri, sunt cuprinse în fişele de control (tabelele 4.2... 4.10 din aceeaşi anex ). Valorile medii ale acestor m rimi sunt cuprinse în tabelul 4.11. F cându-se o compara ie între aceste valori şi cele cuprinse în fişa tehnic de fabrica ie a agregatului turbosuflant (tabelul 4.12) [42], s-a constatat o abatere a valorilor „de încercare” de sub 1,5%, limitele fiind admisibile. Toate tabelele se constituie în anexa 4.1. O medie a acestor valori este exprimat în tabelul 4.11 de la pagina 39. Exprimarea grafic a valorilor medii cuprinse în tabelul 4.11 (anexa 4.1 pag. 39 ), este redat în figura 4.5. Se observ existen a unei directe propor ionalit i între valorile de presiune şi temperatur ale fluidelor de lucru (ap , aer, ulei şi gaze), din turbosuflanta care a fost supus probelor de stand. 15 Fig. 4.5 Reprezent rile grafice ale varia iilor de presiune şi temperatur pentru agen ii de lucru din turbosuflanta tip „TS”, functie de tura ia de antrenare a acesteia, prescris de c tre standul de încerc ri de la uzina „Hidromecanica 2” - Braşov Condiţii de realizare a experimentului: Presiunea barometric = 735,5 mmHg.; temperatura ambiant = 15 0C.; durata probei = 20 min. Timp de oprire liber de la tura ia de 16000 rot/min = 120 sec.; data: 16, 17.02.2006; produsul: TS - 6, seria: 131. Valoarea debitului de aer refulat de compresor (la tura ia şi intervalul raportului de presiuni, prev zute în programul de testare) se compar cu valoarea din documenta ia tehnic a compresorului supus test rii, fa de care se admite o abatere de maxim 7%. Nivelul de vibra ii s-a determinat cu senzorul (traductorul), fixat pe un prezon al capacului de lag r al turbinei, indicându-se la aparatul de m sur numit vibrometru, valori a c ror medie se înscrie în parametri, adic sub 2,8 mm/s (tab. 4.1...4.10). Timpul de oprire liber s-a m surat începând de la tura ia de 16000 rot/min pân la atingerea tura iei zero şi nu a fost mai mare de dou minute. 16 M surarea presiunii barometrice s-a f cut cu o precizie de 1mm col. Hg, iar a presiunii în conducta de aspira ie, cât şi a presiunii aerului refulat de c tre compresor şi a gazelor, la intrarea şi ieşirea din turbin , s-a f cut cu manometre cu clasa de precizie 1,5. Senzorii sunt dispozitive electronice care realizeaz detecţia m rimii de lucru şi o transmit c tre elementul de comand . Senzorii/traductoarele aferente manometrelor de pe circuitele de aer şi gaze au avut marjele de m surare (0...10) V sau (4..20) mA. M surarea temperaturilor s-a f cut cu aparate de m sur din clasa de precizie 1,5. Traductoarele aferente termometrelor au avut marjele de m surare (12...24) V sau 220 V. M surarea tura iilor s-a f cut cu aparatul denumit tahometru, având clasa de precizie de 1%. Traductorul aferent tahometrului a fost de tipul digital – cu afişaj electronic, având marja de m surare (10...24) V. Durata încerc rii de func ionare a fost de 20 de minute, din momentul atingerii temperaturii 0 de 650 C la intrarea gazelor în turbin , iar durata total a unei încerc ri cu foc a fost de 25 de minute. Fig. 4.8 Schema general a unei instala ii de testare, dup repara ii, a agregatelor de tip TS Indicatorii de apreciere calitativ a proceselor tranzitorii au fost considera i timpul şi limita de turaţie minim stabil de mers în gol (n0). Schema de principiu a instala iei experimentale este prezentat în figura 4.8, cifrele având urm toarele semnifica ii: 1. tubulatura de aspira ie a aerului în compresor; 2. tubulatura de recirculare; 3. camera de ardere; 4. tubulatura de evacuare gaze; 5. tubulatura de aspira ie a aerului de aport (aer în exces cu scopul coborârii temperaturii de ardere din incinta special 3, de la aproximativ 1800 la cel mult 680 0C); 6. tubulatura de evacuare a aerului din compresor; C – compresor (suflant ), T – turbina. În conformitate cu standardele existente, standul lucreaz cu un nivel de performan dat de rela ia (4.2) TOT = c • t • m = 0 ,82 • 0 ,8 • 0 ,94 = 0 ,61 , care este un randament bun pentru turbosuflanta probat de instala ia standului „Hidromecanica – 2 Braşov”, comparabil cu a altor turbine similare. Pentru un randament şi mai bun, specialiştilor proiectan i şi constructori din cadrul uzinei, lise recomand s aib în vedere urm toarele m rimi, definitorii în realizarea unui agregat competitiv: num rul de palete, lungimea şi l imea acestora, dar şi unghiul de dispunere în butucul rotoric, precum şi raza de racordare a acestora. Temperatura în interiorul camerei de ardere a instala iei standului ( fig. 4.6), este cuprins între 1800...2000 0C, iar coeficientul excesului de aer α, comparativ cu cel din cartea tehnic a motorului diesel naval „Alco”, este mult mai mare (aprox. 4,5). Aportul de aer este justificat de 17 necesitatea coborârii valorii de temperatur din camera de ardere (care este în leg tur direct cu turbosuflanta supus încerc rilor), a standului pân la aproximativ cea recomandat de cartea tehnic , pentru func ionarea optim a turbinei, impactul din punct de vedere termic şi dinamic fiind astfel, relativ similar cu situa ia când turbosuflanta ar echipa motorul aflat în func iune la bordul navei. Din cauza valorilor de presiune şi temperatur dinaintea, din timpul şi dup arderea amestecului carburant, pentru turbosuflant , la verificarea pe stand nu pot fi înregistrate valorile specifice regimurilor tranzitorii. Acest lucru s-ar putea realiza dac turbosuflanta ar echipa motorul dup care s se fac acordarea şi func ionarea acestora la regimuri tranzitorii. Rezultatele înregistrate prin citirea aparatelor de m sur din punctul de comand central (PCC), pe timpul func ion rii motorului diesel naval supraalimentat (fig. 4.9), şi în regim de accelerare aflat la bordul unei nave (fig. 4.10), din portul Constan a, sunt prezentate în tabelele 4.13...4.16 [56], care se constituie în anexa 4.2. O medie a acestor valori este exprimat tabelar la pagina 40. Fig. 4.9 Vedere lateral a motorului diesel naval tip „Alco” Fig. 4.10 Vedere lateral pentru nava echipat cu motor diesel supraalimentat „Alco” Motorul a fost preg tit pentru pornire şi lansat la cheu dup care s-a f cut deplasarea navei în raionul din rada exterioar portului, destinat pentru încerc ri. Parametrii înregistra i tabelar au fost citi i cu ajutorul a.m.c. aflate pe pupitrul de comand , supraveghere şi control din compartimentul energetic al navei, traductorii pentru valorile de presiune, temperatur şi debit al gazelor arse şi a aerului proasp t, precum şi pentru tura ia arborelui motor sau turbosuflantei, fiind caracteriza i de aceleaşi m rimi care sunt specifice standului de la întreprinderea „Hidromecanica – 2”. F când o compara ie între valorile m rimilor medii ob inute cu agregatul motorturbosuflant în func iune dup repara ii capitale, cu for are progresiv la punct fix (împingere în digul de stabilopozi de la intrarea în portul Constan a - tabelul 4.16), şi valorile m rimilor medii ob inute pentru turbosuflanta în func iune pe standul de probe al uzinei „Hidromecanica - 2” din Braşov - tabelul 4.11), se ajunge la concluzia c nu exist diferen e foarte mari între valorile ob inute la m sur torile efectuate pe stand şi cele f cute la bordul navei aflat în marş cu for are la punct fix, constatându-se o abatere a valorilor „de încercare” de peste 1,5%, acest lucru datorânduse faptului c în cadrul experimentelor efectuate la uzina din Braşov, turbosuflanta n-a echipat efectiv motorul diesel, aşa cum s-a întâmplat cu ocazia încerc rilor din acvatoriul Constan a cu for area navei la punct fix. Contextele diferite în care turbosuflanta a fost supus probelor, justific în cea mai mare m sur abaterea valorilor ob inute în cel de cel de al-II-lea caz fa de primul caz, cu un procent mai mare de 1,5 %. Totuşi sistemul de propulsie al navei a fost garantat pentru înc o func ionare de 10 ani, economicitatea, cât şi gradul de poluare fiind pu in îmbun t ite, pentru o putere nominal a motorului diminuat cu pân la zece procente. În figura 4.11 sunt prezentate graficele de varia ie a valorilor de presiune şi temperatur pentru gazele arse şi aerul de supraalimentare, func ie de tura ia turbosuflantei, în cazul func ion rii acesteia în regim de varia ie a sarcinii. Se constat o direct propor ionalitate între valorile acestor m rimi. 18 Fig. 4.11 Graficele de varia ie ale valorilor de presiune şi temperatur pentru gazele arse şi aerul de supraalimentare, func ie de tura ia turbosuflantei Având în tabelul 4.16 valorile medii pentru puterea şi tura ia agregatului motor – turbosuflant , dar exprimate procentual în tabelul 4.17, s-a putut calcula cu ajutorul rela iei (2.2), Tabelul 4.17 Valorile medii pentru puterea şi cuplul agregatului motor – turbosuflant func ie de tura ia sa nr. Punct de crt. prob 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Observa ii Parametrul 1 tura ia, n [%] 70 75 80 85 90 95 100 103 108 2 puterea, P [%] 40 50 60 70 80 85 90 100 110 3 cuplul, M [%] 40 50 60 70 80 85 90 100 110 momentul motor corespunz tor acestor m rimi. Prin urmare, se poate trasa graficul care exprim varia ia puterii şi a cuplului pentru motorul diesel naval supraalimentat, func ie de tura ia acestuia (fig. 4.12). Fig. 4.12 Graficul de varia ie a puterii şi a cuplului motorului, func ie de tura ia acestuia; A - zona de exploatare în regim continuu; B - zona de exploatare pentru scurt durat ; C - zona de func ionare pentru probe 19 Zona de func ionare optim a agregatului motor diesel – turbosuflant este considerat zona A, corespunz toare exploat rii motorului diesel naval supraalimentat în regim de putere nominal maxim continu (2465 CP). Concluzii: 1. Achizi ia de date este specific multor domenii de activitate, unul din acestea constituind - o comanda automatizat care echipeaz aproape toate navele maritime sau fluviale. 2. Monitorizarea st rii tehnice a navelor şi diagnosticarea acesteia, se pot face relativ comod, în urma m sur rii parametrilor caracteristici ai motoarelor de propulsie de la bord. 3. Desf şurarea activit ilor din cadrul unui program de cercetare experimental a func ion rii agregatului motor cu ardere intern - turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare, de achizi ie şi de prelucrare a datelor înregistrate, conduce în final la rezultate care nu au abateri decât în limite admisibile fa de valorile înscrise în cartea tehnic (formularul tehnico – tactic), a navei. 5 POSIBILIT I DE MICŞORARE A DURATEI DE FUNC IONARE A MOTOARELOR DIESEL SUPRAALIMENTATE LA REGIMURI TRANZITORII DE ACCELERARE 5.1 Durata regimurilor tranzitorii – o problem de economicitate şi eficien motoarelor diesel navale supraalimentate a Func ionarea motorului diesel în regim tranzitoriu este caracterizat printr-o economicitate mai sc zut datorit pierderilor iner ionale, înr ut irii procesului de formare a amestecului, a îngreun rii arderii, îmbog irii amestecului la accelerare, schimbului de gaze, transferului termic etc. Şi pentru motoarele diesel navale regimul tranzitoriu de func ionare este mai frecvent decât cel stabilizat. La accelerarea deplas rii unei nave, puterea efectiv a motorului şi momentul motor efectiv r mân sub valorile corespunz toare regimului stabilizat, iar consumul specific de combustibil este mai mare. Din aceast cauz îmbun t irea calit ilor dinamice ale navei se realizeaz în prezent prin utilizarea unor motoare cu rezerv mare de putere. 5.1.1 Modalităţi constructive şi funcţionale de micşorare a duratei regimurilor tranzitorii de pornire şi accelerare a motoarelor diesel supraalimentate Cercet torii apar inând consor iilor puternic dezvoltate [81] în probleme legate de proiectarea, construc ia şi exploatarea motoarelor cu ardere intern , caut continuu c i de m rire a randamentului acestora, simultan cu ob inerea unei mai bune economicit i şi a micşor rii con inutului de noxe din gazele de evacuare, la func ionarea în regim tranzitoriu. Astfel, aten ia lor se canalizeaz pe: • modific ri de form şi dimensiuni la colectoarele de admisie; • modificarea sec iunii de trecere a agen ilor de lucru pe sub supape sau lumini ≡ ferestre, coroborat cu transform ri în lan ul cinematic al sistemului de distribu ie; • creşterea num rului de supape/cilindru, care s fie monitorizate electronic. Despre modul cum modific rile constructive aduse colectoarelor de admisie, pot influen a pozitiv func ionarea motorului la regimurile tranzitorii de pornire şi accelerare, inclusiv micşorarea duratei acestora, se va prezenta în cele ce urmeaz . Construcţia colectoarelor de admisie reprezint un compromis între ob inerea momentului motor maxim la tura ii joase şi ob inerea puterii maxime la tura ii ridicate. Ideal ar fi construirea unor galerii de admisie care, la fiecare valoare a tura iei motorului, prin reglare f r trepte, s aib lungimea optim a galeriei şi diametrul, corespunz toare unei umpleri eficace. În condi iile extreme de func ionare ale M.A.C. navale (varia ii de temperatur şi presiune ale fluidelor de lucru, oscila ii în plan longitudinal sau/şi transversal ale corpului navei, care se 20 transmit şi sistemului de propulsie al navei), asemenea sisteme cu reglare continu a traseului de admisie nu se pot realiza tocmai datorit acestor varia ii în timp foarte scurt, nemailuând în considerare şi costurile pentru comanda sistemului şi durata de via a mecanismului de reglare. Prin urmare, în practica auto, se utilizeaz colectoarele de admisie de comuta ie cu dou sau trei trepte, cu diferite lungimi şi diametre, în func ie de tura ie [98]. Forma colectorului depinde de construc ia motorului şi de num rul de cilindri. Num rul cilindrilor este important deoarece el determin forma oscila iei şi amplificarea pulsa iilor gazelor proaspete în colectorul de admisie. Treapta 2 – sarcini partiale Treapta 3 – sarcini totale Fig. 5.1 Func ionarea M.A.I. echipat cu galerii de admisie de comuta ie cu una, dou sau trei trepte: a) treapta I; b) treapta a-2-a; c) treapta a-3-a Spre exemplificare, motoarele cu patru cilindri ofer posibilitatea de a configura colectoare simple de admisie astfel încât s se îndeplineasc majoritatea cerin elor. Patru colectoare similare ca lungime, au capetele racordate la un tub colectiv, la cap tul c ruia se afl sec iunea clapetei de accelera ie. Astfel de colectoare au pierderi reduse şi determin o putere ridicat . Lungimile şi diametrele acestora sunt astfel determinate încât s se ob in valori optime de func ionare. Altfel se prezint situa ia la motoarele cu 8 şi 12 cilindri (firmele „Audi”, respectiv ”BMW”), caz în care toate colectoarele au la cap t un tub colector, astfel încât poate fi produs o putere mai mare, direct propor ional cu cantitatea de aer introdus . În aceste condi ii, colectorul de admisie este distribuit unei grupe (linii) de cilindri (la motoarele în V), iar în ceea ce priveşte sistemul de aspira ie, motorul cu şase cilindri se echivaleaz cu dou motoare cu 3 cilindri respectiv, motorul cu 8 cilindri, în dou motoare cu 4 cilindri, iar motorul cu 12 cilindri, în dou motoare cu 6 cilindri (este şi cazul motorului diesel naval supraalimentat „Alco” pentru propulsia navei, aflat în studiu, fabricat de c tre U.C.M. Reşi a). O problem cel pu in la fel de delicat a motorului diesel naval, dac se compar cu motoarele de propulsie terestre, este inerţia agregatului de supraalimentare la regimuri nesta ionare de func ionare ale acestuia şi anume întârzierea r spunsului turbosuflantei la regimul de accelerare, când este nevoie de un surplus de aer, pe fondul creşterii consumului de motorin . Îns , acest combustibil are nevoie de mai mult aer pentru ardere, iar parametrii de stare ai gazelor arse evacuate din motor (în primul rând cantitatea), sunt insuficien i pentru ca turbina s poat antrena suflanta la o tura ie mai mare, astfel încât aceasta s furnizeze cantitatea de aer de care are nevoie motorul la accelerare. Prin urmare, trebuie s treac un timp în care şi grupul s se accelereze şi va aduce apoi parametrii aerului la valorile optime pentru motor. O modalitate de micşorare a timpului de răspuns al agregatului turbosuflant este sistemul „Hyperbar” care echipeaz motoarele diesel fabricate de firma „Poyaud” (fig. 5.6). 21 O parte din aerul furnizat de suflant este folosit pentru arderea în camera arz torului a unei cantit i suplimentare de motorin (1), în afar de cea ars în cilindrii motorului [53]. În aceste condi ii, dac puterea furnizat de motor este mai mare, cantitatea de motorin ars în bypass-ul (2) va fi mai mic . Motorul s-a dinamizat prin faptul c a realizat un timp de răspuns rapid al grupului de supraalimentare, la cerin ele de exploatare, cu consecin ele legate de creşterea consumului specific. Şi sistemul de optimizare „Comprex” (la care lucrul mecanic de comprimare este realizat de c tre gazele arse), asigur M.A.C. care func ioneaz la regimurile tranzitorii de Fig. 5.6 Sistemul de dinamizare ,,Hyperbar” accelerare, o dinamicitate sporit . Sistemul fiind legat mecanic cu motorul, va r spunde rapid la varia ia de tura ie astfel încât, comparativ cu turbosuflanta clasic , agregatul face ca motorul s ajung la sarcina total întrun timp de cel pu in cinci ori mai mic (fig. 5.7). Antrenarea agregatului de supraalimentare cu unde de presiune este f cut de c tre motor prin intermediul unei transmisii cu curea din at , îns lucrul mecanic de comprimare este realizat de c tre gazele arse. Principalele componente ale Comprex ului sunt (fig. 5.8): rotorul - 1, carcasa acestuia - 5, ferestre de admisie şi evacuare aer -10 şi 8, respectiv gaze arse - 3 şi 6. Fig. 5.8 Agregat de supraalimentare cu unde de presiune Agregatul de supraalimentare cu unde de presiune „Comprex” poate realiza rapoarte de supraalimentare mari (πsa = 2...2,8), fiind o solu ie foarte atractiv pentru supraalimentarea M.A.C. Pentru a se evita suprasolicit rile mecanismului motor, supapa wastegate este reglat s se deschid atunci când πsa> 2. 5.2 Echipamente de sc dere a emisiilor de noxe din gazele de evacuare ale motoarelor diesel navale şi de optimizare a func ion rii la regimul tranzitoriu de accelerare O metod de m surare prin conversie catalitic a concentra iei de NOx , NO2, şi N2O este dispunerea pe traseul gazelor arse a unui dispozitiv al c rui principiu de func ionare este cel al 22 fotometriei (radia ii ultraviolete) şi pot fi echipate cu acesta motoarele diesel lente şi semirapide. Principala condi ie este îns existen a în dotarea motorului, a catalizatorului (SCR). 5.2.1 Monitorizarea noxelor la motoarele diesel A. Generalit i: Aten ia specialiştilor este centrat pe emisia de gaze rezultate în urma arderilor din motorul cu ardere intern . Normativul prin care se monitorizeaz şi sanc ioneaz activit ile economice maritime şi fluviale, este Anexa 6 a IMO, care include şi standardele de eficien . Compozi ia emisiilor de noxe din gazele evacuate ale unui motor diesel de la bordul navei este redat în figura 5.14 [82]. Specialiştii au pus la punct metode primare şi secundare de micşorare a noxelor. În timp ce prin metodele primare se previne la surs (prin ac ionarea asupra modului de desf şurare a proceselor termogazodinamice), formarea de poluan i ca NOx , SOx , HC, CO, CO2 etc., prin metodele secundare care se aplic , se minimizeaz sau se recircul noxele din gazele arse deja generate şi evacuate de c tre motorul de propulsie de la bordul navei, în atmosfer . 5.2.2 Minimizarea noxelor B. Metode primare de sc dere a noxelor: B1: Controlul optimiz rii injec iei. B2: Evaluarea fumului pe evacuare şi a emisiei de particule. B3: Monitorizarea concentra iilor de sulf din combustibil, a HC şi CO2 din gazele de evacuare ale motorului. Emisia în atmosfer de CO2 O alternativ de micşorare cu peste 30% a acestor emisii, atât la navele propulsate cu motoare diesel, cât şi cu turbine cu abur sau gaze, este cea aplicat de c tre firma german „MAN B&W” şi anume, de utilizare pentru ardere în locul motorinei, a LNG (liquid natural gas) (fig. 5.22). Calculele dau astfel o economie de aproximativ 3,5 miliarde de USD pe an, de nav . Impactul asupra mediului nu poate fi decât unul pozitiv. C. Metode reprezentative secundare de minimizare a noxelor: C1: Echiparea motorului cu EGR şi umidificarea aerului de aspira ie. C2: Echiparea motorului cu SCR. C1: Echiparea motorului cu EGR şi umidificarea aerului de aspira ie (HAM – humid air motor) 23 Sunt dou c i al c ror efect este modificarea propriet ilor fizico-chimice pentru aerul de combustie cu scopul micşor rii concentra iilor de NOx din gazele de evacuare ale motorului. Prin intermediul EGR se realizeaz o micşorare a cantit ii de O2 din aerul aspirat în cilindru, iar prin umidificare are loc o optimizare a valorii de temperatur pentru amestecul carburant (aceasta trebuie s ating valoarea de aproximativ 2200 K). C2: Echiparea motorului cu SCR (Selective Catalytic Reduction) Prin aceast metod , firma danez „Haldor Topsoe” (în colaborare cu firma german „MAN B&W DIESEL”), a ob inut o sc dere a emisiilor de NOx de pân la 98% din gazele arse ale motorului. Principiul de func ionare este: traseul gazelor arse este mixat cu amoniac (NH3) sau uree şi, în condi iile unei temperaturi T = 670...770 K au loc reac iile: 4 NO + 4 NH 3 + O2 ⎯ ⎯→ 4 N 2 + 6 H 2 O ; 6 NO2 + 8 NH 3 ⎯ ⎯→ 7 N 2 + 12 H 2 O . Rezult deci substan ele N2 şi H2O care nu sunt toxice pentru mediul înconjur tor! Instala ia propriu – zis de reducere a emisiilor de NOx este cea din figura 5. 30 [65]. Concluzii: 1. Umplerea cu aer a cilindrilor la accelerarea motorului diesel naval supraalimentat este totdeauna mai redus decât la regimuri sta ionare. Valoarea acestor reduceri ale umplerii depinde în principal de construc ia traiectului de admisie. 2. La accelerarea motorului, o dat cu deplasarea cremalierei, pompa de injec ie nu asigur la timp corectarea dozajului amestecului. 3. Economicitatea motorului termic este totdeauna mai sc zut la accelerare decât la regimurile stabilizate. De aceea, factorul timp este foarte important, anume ca, durata func ion rii agregatului la regim tranzitoriu de accelerare, s fie cât mai scurt . 6 CONSIDERA II PRIVIND MODELAREA MATEMATIC 6.1 Aspecte generale Navele sunt echipate cu agregate energetice complexe formate din mai multe elemente func ionale care interac ioneaz între ele pe timpul exploat rii. Fiecare din aceste elemente are anumite propriet i statice şi dinamice care condi ioneaz func ionarea motorului în ansamblu. 6.2 Necesitatea model rii şi simul rii func ion rii unui sistem tehnic Pentru studiul sistemelor complexe, singurele metode şi modele de studiu acceptabile la ora actual sunt cele de simulare, iar modelele trebuie s reproduc cât mai fidel dinamica sistemului real. 24 Modelarea matematic se bazeaz pe existen a unor similitudini matematice, fizice etc. între dou obiecte de studiu. Dac între dou obiecte se poate stabili o similitudine cel pu in într-un anumit sens – adic în raport cu una sau mai multe caracteristici – atunci între obiecte exist o rela ie de la original sau sistem real, la modelul s u [116]. 6.3 Modelarea matematicã a regimurilor tranzitorii; ipoteze generale ale func ion rii agregatului motor - turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare Cel mai simplu model al motorului diesel supraalimentat este cel cvasista ionar care poate fi aplicat şi celor semirapide, aşa cum este cazul cu cel care echipeaz standul de încerc ri, anume motorul “ALCO”. Acest model este definit de ecua ii de bilan energetic şi masic din care rezult principalii parametri ai motorului (cuplu, tura ie), cât şi pentru instala iile de alimentare cu combustibil şi supraalimentare, definite prin gc, respectiv raportul gaer/gc, unde gaer - cantitatea de aer din cilindru introdus de c tre sistemul de supraalimentare. 6.4 Aspecte ale comport rii dinamice a motorului de propulsie Motorul diesel naval func ioneaz în sistem închis de reglare a tura iei datorit perturba iilor exterioare generate, în principal, de varia ia cuplului rezistent la arbore, dat de elice. Ca obiect comandat, motorul diesel reprezintã un sistem neliniar, cu parametri structurali variabili în timp, func ie de sarcina, tura ia, presiunea şi temperatura aerului de admisie, calitatea combustibilului ş.a.m.d. [31]. De aceea, aceast problem nu şi-a g sit rezolvarea înc , utilizânduse în continuare modele matematice simplificate, care asigurã analiza prin identificare a comportamentului dinamic. Aceastã modalitate de rezolvare va fi adoptatã şi în cele ce urmeazã. 6.4.1 Modelarea dinamicii motorului diesel supraalimentat Avantajele deosebite pe care le asigurã procesul de supraalimentare fac ca, în prezent, majoritatea covârşitoare a motoarelor diesel navale sã fie supraalimentate. Cel mai utilizat agregat de supraalimentare este turbosuflanta, pentru care schema func ional rela ionat cu motorul diesel de propulsie, este prezentatã în figura 6.1. Indicatorii de apreciere calitativă a regimului tranzitoriu pentru turbosuflant sunt [31]: - varia ia duratei acestuia = dt; - tura ia minim (nmin.), stabil de mers în gol. dΩ Ecua ia fundamental a unei ac ion ri electromecanice este M = J + M r adic ; cuplul dt motor trebuie s acopere momentele iner iale şi cuplul rezistent. J reprezint momentul de iner ie al Fig. 6.1 Schema bloc a model rii şi simul rii func ion rii agregatului motor-turbosuflant 25 maselor rotitoare ale motorului, transmisiei şi propulsorului. Când M > Mr , agregatul se accelerează, iar pentru M < Mr, se produce o decelerare. Pentru M = Mr , agregatul este în regim sta ionar. Rela ia M – Mr = Md reprezint momentul dinamic al agregatului. Func iile de transfer date [31], care definesc sistemul, sunt: dω • pentru motor: J = M e − M r (momentul dinamic = diferen a Me-Mr) – dup regimul dt static; dω c • pentru turbosuflant : J c = M t − M c ; Jc – momentul de iner ie al rotorului suflantei; dt d 2z • pentru regulatorul automat de tura ie: m 2 = P − E − F ; P – for a de men inere; E- for a dt de revenire; F – frecarea şi iner ia sistemului; m- masa mufei regulatorului şi a pieselor cu care acesta se rototranslateaz ; z – cursa mufei; t – timpul; d∆G a dG a • pentru colectorul de admisie: = Gc − Gm ⇔ = ∆Gc − ∆Gm , în care: dt dt - ∆Ga – varia ia masei de aer din colector, cantit i inegale; - ∆Gc – varia ia masei de aer din compresor, - ∆Gm – varia ia masei de aer la intrare în motor. • pentru colectorul de evacuare: d∆Ge dGe =G g −G t ⇔ = ∆G g − ∆Gt , în care dt dt - ∆Ge – varia ia masei de gaze din colector, - ∆Gg – varia ia masei de gaze la ieşierea din motor, - ∆Gt – varia ia masei de gaze la intrarea în turbin . cantit i inegale; Regimul de func ionare al unui SRA cuprins între dou regimuri sta ionare poart denumirea de regim dinamic sau tranzitoriu. Corespunz tor celor dou regimuri de func ionare, m rimea de ieşire xe(t) are o component for at xef(t) şi o alta liber xel(t), astfel încât se poate scrie rela ia: xe(t) = xef(t)+ xel(t), (6.2) Regimul tranzitoriu se consider terminat dac : | xel (t) | = | xe (t) – xef (t) | ≤ 0,02 xef (t), (6.3) Se spune c regimul tranzitoriu poate fi considerat încheiat atunci când valoarea ⎞ ⎛ 2 xef ⎟ , f r a mai dep şi ulterior aceast componentei libere a m rimii de ieşire se reduce la ⎜ ± ⎠ ⎝ 100 valoare. În urma calculelor, rela ia (6.3) devine; ∂ϕ Tm (6.14) + km φ = q + kp – kv u – k p, ∂t Ecua ia (6.14) reprezint modelul matematic liniarizat al motorului diesel. În consecin , ecua ia regimului tranzitoriu liber este φ = φ0 e-kt/T . (6.30) Expresia (6.30) exprim faptul c regimul tranzitoriu de accelerare al motorului diesel naval supraalimentat, este de tip aperiodic. Analizând în aceast expresie cazul când variaz doar deplasarea cremalierei, se constat c dac Tm şi km sunt pozitive, atunci procesul tranzitoriu este de tip amortizat (curbele 1 şi 2 din figura 6.4.a). 26 Fig. 6.4 Varia ia unor parametri, caracteristici procesului tranzitoriu de accelerare ale unui M.A.C. supraalimentat Dac parametrul km < 0, atunci procesul tranzitoriu este neamortizat, situa ie indicat prin curba 3 din aceeaşi figur (cazurile km < 0 şi Tm < 0 nu au sens deoarece Tm nu poate lua decât valori pozitive). Procesul tranzitoriu se consider practic încheiat atunci când curba ob inut pentru φ(t) p trunde într-o plaj de valori φε (mai mic decât gradul de instabilitate al motorului), f r s mai ias din acest interval [44]. Dup cum se poate vedea în figura 6. 4.a, procesul tranzitoriu 1 intr definitiv în aceast plaj la timpul t1, în timp ce intrarea definitiv a procesului tranzitoriu 2 în plaja de valori φε se realizeaz la timpul t2. Gradul de instabilitate al motorului este dat de expresia ω − ω1 Ψ= 2 ⋅ 100[%] . (6.31) ω0 unde; 1 şi 2 reprezint vitezele unghiulare maxim şi minim înregistrate pe perioada regimului tranzitoriu, regimul stabilizat al motorului fiind caracterizat prin viteza unghiular 0 (fig. 8.14.b). 6.4.2 Modelarea dinamicii turbosuflantei Turbosuflanta este cuplat func ional cu motorul, dictând performan ele acestuia şi având parametrii q şi ξ dependen i de regimul de exploatare. Schema care ne arat modul de cuplare, este redat în figura 6.1. Cele dou mecanisme ale grupului de supraalimentare: compresorul C şi turbina T, au rotoarele pe acelaşi ax iar caracteristicile lor statice au fost determinate la probele de stand. Tura ia turbosuflantei se va stabiliza în punctul de intersec ie al caracteristicilor aferente , unde este îndeplinit bilan ul energetic MT = MC (fig. 6.5) [31]. Fig. 6.5 Diagrama de func ionare a mecanismului turbin -suflant Ecua ia de echilibru dinamic pentru rotoarele celor dou maşini este: dω JCT c = MT – MC, dt Cu nota iile f cute, expresia analitic de modelare dinamic a func ion rii agregatului turbosuflant sincron cu motorul la regimul tranzitoriu de accelerare, este: dϕ TCT c - kcφc = ξ + qq – . (6.35) dt Ecua ia (6.35) reprezint modelul dinamicii grupului turbosuflant (TK) de supraalimentare, cuplat func ional cu motorul prin parametrii q şi ζ care intr în modelul dinamic al motorului (6.14). 27 6.4.3 Modelarea dinamicii colectorului de admisie Debitul masic GK care intr în C.A. este furnizat de compresor la presiunea pk şi temperatura TK2 (fig. 6.6), care se ob ine dup r cirea aerului în r citorul de baleiaj (R). În condi iile regimului sta ionar, se realizeaz bilan ul aerului de supraalimentare: debitul livrat de c tre suflant , intr integral în motor , G K 0 = Gm 0 . Dac parametrii motorului se modific , apar diferen e între GK şi Gm generate de varia iile ∆Gc, ∆Gm, ∆pc preluate în volumul VCA al C.A. Cu nota iile f cute, expresia analitic de modelare a dinamicii colectorului de admisie/evacuare, este: dζ TCA + k CAζ = ϕ K − θ ϕ ϕ . (6.39) dt Prin urmare, dinamica motorului supraalimentat este caracterizatã de ecua iile diferen iale de ordinul I (6.14), (6.35) şi (6.39), care redau exprimarea analitic a func ion rii motorului diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare. 6.5 Validarea modelului elaborat Durata ciclurilor de produc ie, de testare şi încercare a agregatelor poate fi redus foarte mult prin utilizarea echipamentelor de simulare pe computer, fiind eliminate prototipurile costisitoare şi încerc rile experimentale care sunt mari consumatoare de resurse materiale, financiare şi de timp. Datorit faptului c performan ele dinamice la nivel sistem (accelera ia, reac ia sistemului, manevrabilitatea, sarcina maxim etc), sunt puncte de interes pentru operator, este necesar crearea de echipamente de analiz şi simulare pentru a facilita monitorizarea. Cunoaşterea comportamentului dinamic al componentelor mecanice, termodinamice, electrice etc ale motorului termic este esen ial , de aceea instrumentele alese pentru activitate trebuie s fie capabile s simuleze comportamentul de tranzit (regimurile tranzitorii), ale fiec rei componente în parte şi a complexului navă în ansamblu. Este posibil descrierea matematic a comport rii dinamice a multor mecanisme şi sisteme utilizându-se ecua iile diferen iale neliniare (liniare), obişnuite. Mai multe programe de simulare pe calculator (MathCAD, SistemBuild, Easy, Katya, Pro Engineer şi altele), sunt concepute s rezolve sisteme de ecua ii diferen iale neliniare (liniare), obişnuite care pot fi utilizate pentru crearea unei simul ri a complexului nav , în misiune. Ecua iile (6.14), (6.35) şi (6.39) din subcapitolul anterior modeleaz elemente care intr în structura schemei bloc, aceasta reprezentând motorul şi subsistemele sale. Întreg agregatul de propulsie al navei se poate pune sub forma caracteristic modelului structural func ional, definit prin ecua iile de stare şi cele de intrare/ieşire. Ordonând aceste ecua ii sub forma consacrat a modelului structural func ional, rezult sistemul care cuprinde urm toarele ecua ii de stare: 28 dϕ ϕ q ς u p = C1 ϕ + C1 q + C1 ς + C1 u + C1 p dt dϕ k ϕ ξ q ς = C2 ϕ k + C2 ξ + C2 q + C2 ς dt dς ξ ϕ p = C3 ξ + C3 k pk + C3 ϕ , dt (6.40) pentru rezolvarea c rora, coeficien ii se ob in din diagramele statice şi dinamice care caracterizeaz func ionarea la regim tranzitoriu de accelerare a agregatului de propulsie naval motorturbosuflant . Semnifica ia m rimilor este urm toarea; ϕ - C1 = coeficientul de varia ie la regim tranzitoriu, a valorii momentului motor , dat de masele sale iner iale aflate în mişcare de roto-transla ie; - φ = viteza unghiular relativ de rota ie a arborelui cotit al motorului (din calcule); q - C1 = coeficientul de modificare a cursei cremalierei pompei de injec ie asupra duratei regimului tranzitoriu (din reprezentare grafic ); - q = deplasarea relativ a cremalierei pompei de injec ie (din m sur ri practice); ς - C1 = coeficientul de varia ie a presiunii aerului de supraalimentare (din nomogram ); - ζ = presiunea relativ a aerului de supraalimentare din cilindrii motorului (din calcule); u - C1 = coeficientul de varia ie a unghiului de rotire a elicei asupra duratei regimului tranzitoriu (din reprezentare grafic ); - u = viteza relativ de rota ie a elicei (din calcule); p - C1 = coeficientul de varia ie a rezisten ei la înaintare a navei asupra duratei regimului tranzitoriu (din reprezentare grafic ); - p = viteza relativ de înaintare a navei (din calcule); ϕ - C 2 k = coeficientul de varia ie a vitezei de rota ie a turbosuflantei, asupra duratei regimului tranzitoriu; - φkt = viteza relativ de rota ie a arborelui turbosuflantei (din calcule); - C 2ξ = coeficientul de varia ie a momentului turbosuflantei; - C 2q = coeficientul de varia ie a deplas rilor (axiale, radiale), ale turbosuflantei; - C 2ς = coeficientul de varia ie a cursei cremalierei pompei de injec ie; - C 3ξ ca = coeficientul de varia ie a iner iei aerului pe admisie; - ξ = varia ia relativ a presiunii gazelor arse pe paletajul turbinei, asupra duratei regimului tranzitoriu (din calcule); - C 3pca = coeficientul de varia ie a presiunii în colectorul de admisie; - C 3ϕ ca = coeficientul de varia ie a vitezei de rota ie a turbosuflantei. Modelul formulat permite determinarea prin simulare numeric a evolu iei în timp a parametrilor agregatului de supraalimentare atunci când se modific m rimea de intrare, care reprezint cantitatea de combustibil pe ciclu – gc, aceasta fiind direct influen at de factorii aleatori interni şi (sau), externi. 6.5.1 Simularea numerică a dinamicii turbosuflantei a) Pentru validarea modelului, trebuie ca ecua ia analitic a model rii turbosuflantei: dϕ ct = C 2ϕct ϕ c + C 2ξct ξ + C 2q + C 2ζ ζ , (6.41) dt exprimat grafic în urma simul rii numerice cu ajutorul modelului analogic definit de ecua ia ps = p0 + (1+ ξ) ρ0 1800 χ 2 29 n2 , (6.42) în care; ps – presiunea de supraalimentare, p0 – presiunea atmosferic , p0 = 1,013 · 105 Pa, ξ – m rime variabil (ξ = 0,46…0,469), reprezint pierderile gazodinamice de pe traseul de admisie, ρ0 – densitatea aerului de admisie, ρ0 = 1290 kg/m3, χ – m rime constant (χ = 21,078), dat de raportul dintre sec iunea de trecere a aerului aferent supapei de admisie şi volumul cilindrului, la p trat, n – tura ia turbosuflantei; n = (17.000…35.000) rot/min., s aib alura (fig. 6.7), aproximativ aceeaşi cu graficul trasat experimental pentru presiunea aerului de supraalimentare (fig. 4.5), func ie de tura ia acesteia. În acest scop, pentru efectuarea propriu zis a simul rii numerice, s-a rezolvat ecua ia (6.43) aplicând programul grafo – analitic MatChad Professional 2000. Tabelul 6.1 Valorile de presiune ale aerului la intrarea şi ieşirea din suflant func ie de tura ia acesteia şi pierderile de pe traseul de admisie ξ 0.460 0.461 0.462 0.463 0.464 0.465 0.466 0.467 0.468 0.469 0.470 n 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 35000 37000 pi 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,101 0,102 0,103 0,104 0,105 0,106 pe 0,06 0,08 0,1 0,11 0,113 0,115 0,117 0,119 0,12 0,122 0,124 Tabelul 6.2 Valorile de presiune ale aerului de supraalimentare în suflant func ie de tura ia acesteia şi rezisten ele gazodinamice de pe colectorul de admisie n ξ ps 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 0,46 0,461 0,462 0,463 0,464 0,465 0,466 0,467 0,468 0.051 0.059 0,067 0,076 0,084 0,093 0,101 0,115 0,124 Fig. 6.8 Reprezentarea spa ial a presiunii aerului de supraalimentare din motor func ie de tura ia suflantei şi rezisten ele gazodinamice de pe colectorul de admisie 30 Tabelul 6.3 Valorile de presiune ale gazelor arse în turbin func ie de tura ia acesteia şi rezisten ele traiectului de gaze n ξ 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 0,452 0,456 0,46 0,464 0,468 0,472 0,476 0,48 0,484 gazodinamice ale p ga 0.107 0,101 0,093 0,082 0,073 0,064 0,055 0,046 0,035 Fig. 6.9 Reprezentarea spa ial a presiunii gazelor arse din motor func ie de tura ia turbinei şi rezisten ele gazodinamice de pe traiectul gazelor 6.5.2 Simularea numerică a dinamicii colectorului de admisie/evacuare Pentru validarea modelului, trebuie ca ecua ia analitic a model rii dinamicii colectorului de admisie a aerului proasp t sau a celui de gaze arse, dζ = C 3ζ ζ + C 3pt + C 3ϕt ϕ , (6.43) dt exprimat grafic în urma simul rii numerice cu ajutorul modelului analogic definit de ecua ia pev = p0+ (1+ξ) ρev/2 (rπn/30)2, (6.44) în care; pev – presiunea de evacuare a gazelor arse, p0 – presiunea atmosferic , p0 = 1,013 · 105 Pa ≈ 0,1 MPa, ξ – m rime variabil (ξ = 0,456…0,556), reprezint pierderile gazodinamice de pe traseul de evacuare, ρev – densitatea gazelor arse, ρev = 889 kg/m3, r- raza paletajului turbinei, r = 0,257 m, este o m rime constant , s aib alura (fig. 6.10), aproximativ aceeaşi cu graficul trasat experimental pentru presiunea gazelor arse (fig. 4.5), func ie de tura ia turbosuflantei (valorile acestor m rimi sunt cuprinse în tabelul 6.4); Tabelul 6.4 Valorile de presiune ale gazelor arse la intrarea şi ieşirea din colector func ie de tura ia turbinei şi pierderile de pe traseul de evacuare n 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 ξ 0,456 0,457 0,458 0,459 0,46 0,461 0,462 0,463 0,464 pev1 0,107 0,108 0,109 0,11 0,111 0,112 0,115 0,116 0,117 pev2 0,07 0,019 0,021 0,023 0,027 0,031 0,035 0,038 0,041 Fig. 6.10 Graficul de compara ie între varia ia curbelor de presiune ale gazelor arse ob inute experimental (p3, p4) şi cele trasate dup simularea numeric (presiunea de intrare-pi şi presiunea de ieşire- pe) 31 Tabelul 6.5 Valorile de presiune ale gazelor arse la intrarea/iesirea în/din colectorul de admisie/evacuare func ie de tura ia turbosuflantei şi rezisten ele gazodinamice n ξ p ev1 p ev2 17000 19000 0,488 0,492 0,035 0,031 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 0,496 0,5 0,504 0,508 0,512 0,516 0,52 0,044 0,053 0,062 0,071 0,08 0,089 0,098 0,107 0,027 0,023 0,019 0,016 0,014 0,013 0,012 0,011 Fig. 6.11 Reprezentarea spa ial a presiunii gazelor arse din motor func ie de tura ia turbosuflantei şi rezisten ele gazodinamice de pe colectorul de admisie/evacuare 6.5.3 Simularea numerică a dinamicii motorului diesel supraalimentat Ecua ia analitic a model rii motorului diesel este; dϕ m = C1ϕ m + C1q q + C1ξ ξ + C1u u + C1p p . (6.45) dt Pentru validarea experimentului practic efectuat cu nava în marş (fig. 4.12), aceasta solicitând motorul prin împingerea pe care o efectueaz în digul de larg (protec ie), al intr rii în portul Constan a, trebuie efectuat o simulare a func ion rii în sarcin a motorului diesel supraalimentat, considerând c prin intermediul urm torului model analogic [44], se va reflecta cât mai fidel comportamentul agregatului în condi iile varia iei de tura ie; pentru varia ia tura iei de la 800 la 900 rot/min pentru t = 0...1sec; ⎧800 + 6,5 ⋅ t , ⎪806,5 + 21,75 ⋅ (t - 1), pentru t = 1...3sec; ⎪ n(t ) = ⎨ (4.46) ⎪850 + 3,85 ⋅ (t - 3), pentru t = 3...16sec; ⎪⎩900, pentru t = 16...20sec. Graficul (fig. 6.13), trasat cu aceste valori (tabelul din stânga graficului), ob inute prin aplicarea modelului analogic pentru un agregat de propulsie, are alura aproximativ aceeaşi cu graficul (fig. 4.12), trasat cu valorile ob inute pentru motorul diesel supraalimentat „Alco” încercat la punct fix (împingerea provocat de c tre nav într - un parapet montat pe digul de larg al portului Constan a, pornirea motorului şi introducerea progresiv în sarcin ), dup repara ia sa şi a turbosuflantei şi care propulseaz o nav din cadrul firmei „Coremar”- Constan a. În acest scop, pentru efectuarea propriu zis a simul rii numerice, s-a rezolvat sistemul de ecua ii aplicând programul grafo – analitic Excel Windows. Fig. 6.13 Varia ia puterii motorului func ie de tura ia acestuia într-o anumit perioad de timp 32 6.5.4 Scenariu aplicativ - practic S se simuleze prin metoda grafo-analitic modalitatea în care se desf şoar ac iunea pe mare, de respingere de c tre nava albastr , propulsat de motorul diesel supraalimentat de tip Alco, a unui atac advers (efectuat de c tre un grup de cercetare/diversiune aflat la bordul navei roşii), asupra unei sonde de foraj marin care exploreaz şi face extrac ii de i ei şi gaze naturale în acvatoriul maritim, apar inând statului albastru. • Caracteristicile tehnico-tactice ale navei albastre care se deplaseaz în volte din baza naval aflat în portul Termis, spre ţinta din acvatoriu, definit de punctul P de coordonate (φ = 440 38˙ 21¨ longitudine, λ = 290 22˙ 44¨ latitudine NE), sunt cuprinse în tabelul 6.7. Tabelul 6.7 Principalele caracteristici tehnico-tactice ale navei albastre Nr. crt. 1 2 3 4 5 Denumire Valoare Lungime x l ime x în l ime [m] Pescajul navei [m] Viteza de deplasare [nd] Consumul specific de motorin [g/CPh] Autonomie [Mm] 61x 9,5 x 15 3,5 16 163 5000 Are loc apropierea navei albastre, de locul aflat în disput , desf şurându-se cu succes manevra de evitare a coliziunii prin dese schimb ri de drum şi de vitez , concomitent cu o ripost hot rât la ac iunile inamice prin executarea focului cu toate categoriile de armament asupra navei adverse (de culoare roşie), ca r spuns la focul deschis executat de c tre aceasta. 33 Fig. 6.15 Simularea demonstrativ pe mare a exerci iului aplicativ practi Pe timpul execut rii misiunii, care a durat patru ore, au fost înregistrate valori pentru m rimile tehnice func ionale ale motorului de propulsie, care sunt cuprinse tabelar în Anexa 6.1 (pag. 137 din tez ). O medie a acestor valori este exprimat prin intermediul tabelului 6.11 (pag. 41), care este parte a acestei anexe. 34 F când o compara ie între valorile ob inute dup derularea acestui studiu de caz (scenariu aplicativ – practic) şi cele înregistrate cu acelaşi motor (implicit, nav ), când s-a efectuat încercarea agregatului motor diesel naval - turbosuflant prin for aj la punct fix în digul de larg al portului Constan a, se constat c diferen ele care rezult se încadreaz în marja de eroare ( ± 5 %), impus de c tre Jurnalul de maşini (Formularul tehnico-tactic), prescris pentru aceast variant constructiv de nav [71]. Pentru rezolvarea acestui studiu de caz s-a utilizat o solu ie soft de simulare aplicativ practic numit JCATS (Joint Combat and Tactical Simulations). Concluzii: 1. Ob inerea rezultatelor a fost posibil prin utilizarea software-lor MathCAD 2000 Professional, Microsoft Office Excel 2003 şi Word. 2. Performan ele turbosuflantei calculate cu ajutorul modelului alc tuit sunt foarte apropiate de cele m surate pe standul de încercare de la Uzina „Hidromecanica” din Braşov dup repara ia capital a acesteia. 3. Performan ele motorului diesel naval echipat cu turbosuflanta încercat la Braşov, înregistrate la punct fix, sunt de asemenea foarte apropiate de cele calculate cu ajutorul modelului alc tuit, ceea ce valideaz modelul propus. 4. Aceste cercet ri sunt utile pentru verificarea capabilit ii navei dup repara ii importante ale motorului sau a altor echipamente aferente acestuia, folosind datele experimentale m surate la recep ia lucr rilor respective de repara ii. 5. Modelul alc tuit poate fi utilizat şi în cadrul unor aplica ii tehnico – tactice de organizare şi desf şurare a opera iunilor de interven ie aplicând softul J.C.A.T.S., pornind de la datele tehnice experimentale ob inute cu ocazia unor verific ri periodice ale tehnicii navale. 7. CONCLUZII 7.1 Concluzii finale 1. Rezisten a la înaintare a unei nave depinde de foarte mul i factori. Cei mai importan i sunt: valoarea for ei de împingere a motorului termic, suprafa a operei vii a corpului navei, capacitatea de balastare a echipamentului, unghiurile de band şi asiet , gradul de agita ie al m rii etc. 2. Suflanta, care de regul este un compresor centrifugal sau axial, poate fi antrenat progresiv şi printr-un cuplaj electromecanic pe baza parametrilor func ionali ai motorului înregistra i de c tre „cutia neagr ” a acestuia. Are loc pe aceast cale o monitorizare strict a valorii presiunii de supraalimentare. 3. Optimizarea func ion rii motorului diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare nu se va face în parametri atunci când acesta este echipat cu turbin de presiune constant care, din construc ie are o m rime a sec iunii de trecere pentru gazele arse necorelat cu puterea motorului sau a suflantei. Rezolvarea o d turbina de presiune variabil , la care modificarea pozi iei ajutajelor statorice este o func ie de cantitatea de gaze arse ce vine în contact cu paletajul turbinei, implicit func ie de sarcina motorului. Practic pozi ia optim a paletajului statoric este dat de diferen a dintre presiunile aerului de la ieşirea şi intrarea suflantei. 4. Alimentarea for at cu aer a motoarelor diesel este superioar celei naturale, avantajele fiind urm toarele: creşterea puterii, cuplului şi randamentului motorului pe fondul micşor rii consumului specific de motorin . 35 5. Marile firme constructoare de motoare diesel, le echipeaz pe acestea cu sistemele de supraalimentare „Hyperbar” „Tgv” , „Comprex” ş.a., care dau cel mai ridicat randament cât şi o mai bun economicitate pentru agregat în func ionarea sa la regimul tranzitoriu de accelerare. 6. Regimul tranzitoriu este de dorit s fie cât mai scurt, pentru ca energia cinetic a maselor în mişcarea de rototransla ie s fie cât mai mic . Pentru domeniul naval au fost enumerate situa iile când un M.A.C. este exploatat în regim tranzitoriu, acesta putând fi mai scurt sau mai lung (dictat fiind de factorii externi corpului navei). 7. Variantele de optimizare a fazelor distribu iei la M.A.C. – urile navale pot conduce la micşorarea considerabil a emisiilor de noxe de pân la 40…45 % (NOx, CO, CO2, SO2, HC etc.). 8. Pentru reducerea de noxe, separarea prin injecţie directă a apei este considerat cea mai bun solu ie deoarece aceast tehnic şi-a dovedit capacitatea de a reduce nivelul NOx din gazele arse evacuate de c tre motor, cu pân la 60 %. 9. Reducerea particulelor în cazul func ion rii motorului diesel naval cu combustibil greu este înc o mare provocare. Tehnic exist solu ii (precipitatori electrostatici umezi) dar implic ori un volum mare în compartimentul maşini al navei ori un cost ridicat. Oricum, emisiile de particule sunt reduse de la 50 % la 90 % când se trece la combustibilii distila i şi aditiva i. 10. Creşterea cantit ii de înc rc tur proasp t re inut în cilindrii motorului la sfârşitul admisiei, optimizarea pocesului de formare a amestecului carburant şi îmbun t irea arderii conduc la creşterea presiunii şi a cuplului motor (acesta crescând), atunci când func ioneaz în regim tranzitoriu de accelerare, la micşorarea consumului specific de combustibil şi a emisiilor de noxe (propulsie mai ecologic ), din gazele de evacuare. 11. Performan e superioare la M.A.C. se pot ob ine prin creşterea coeficientului de umplere şi a cantit ii de combustibil injectat pe ciclu. Primul parametru poate fi influen at prin supraalimentare iar cel de-al-II-lea, prin reglaje ale aparaturii de injec ie. 12. Detona ia la accelerarea motorului este dat de zgomotul produs de viteza foarte ridicat de creştere a presiunii de la începutul fazei a-II-a a arderii necontrolate care conduce la vibra ia puternic a peretelui cilindrului. Principala cauz a acestei st ri de lucruri este prelungirea perioadei de întârziere la autoaprindere a amestecului carburant. Existen a acestei perioade (care influenzeaz negativ durata acceler rii), se poate datora unei slabe pulveriz ri a jetului de combustibil, unei valori prea mari a avansului la injec ie, unei valori sc zute a cifrei cetanice sau unei presiuni sc zute de ardere din cauza scaunelor de supap deteriorate şi a segmen ilor uza i, dac nu, unei foarte sc zute valori pentru temperatura aerului la admisie. 13. Umplerea cu aer a cilindrilor la accelerarea motorului este totdeauna mai redus decât la regimuri sta ionare. Valoarea acestor reduceri ale umplerii depinde în principal de construc ia traiectului de admisie cât şi de echipamentul de supraalimentare. 14. Înr ut irea procesului de formare a amestecului la accelerare conduce totdeauna la s r cirea acestuia. O cauz major a s r cirii amestecului o constituie neconcordan a caracteristicii injec iei cu iner ia termic a motorului. 15. La un motor diesel naval supraalimentat, pentru fiecare dintre intervalele de modificare a regimului de tura ie exist o vitez optim de deplasare a cremalierei pentru care se asigur cei mai buni indicatori de dinamicitate, economicitate şi nepoluare. 16. M rimile tehnice caracteristice ale turbosuflantei calculate cu ajutorul modelului aplicat sunt foarte apropiate de cele m surate pe standul de încercare de la Uzina „Hidromecanica” din Braşov dup repara ia capital a acesteia. 17. Performan ele motorului diesel naval echipat cu turbosuflanta încercat la Braşov, înregistrate la punct fix, sunt de asemenea foarte apropiate de cele calculate cu ajutorul modelului alc tuit, ceea ce valideaz modelul propus. 18. Aceste cercet ri sunt utile pentru verificarea capabilit ii navei dup repara ii importante ale motorului sau a altor echipamente aferente acestuia, folosind datele experimentale m surate la recep ia lucr rilor respective de repara ii. 36 19. Modelul alc tuit poate fi utilizat şi în cadrul unor aplica ii tehnico – tactice de organizare şi desf şurare a opera iunilor de interven ie aplicând softul J.C.A.T.S., pornind de la datele tehnice experimentale ob inute cu ocazia unor verific ri periodice ale tehnicii navale. 7.2 Contribu ii personale şi deschideri ale tezei de doctorat 1. Studiul critic privind stadiul actual şi tendin ele în dezvoltarea tehnicii de optimizare a func ion rii M.A.C. navale la regim tranzitoriu de accelerare, eviden iindu-se în acest sens rezultatele ob inute la încerc rile navei la punct fix cu func ionarea motorului supraalimentat la diferite regimuri cât şi modul de func ionare cu noile tehnologii cu care sunt echipate agregatele de propulsie la ora actual . 2. Studiu asupra regimului tranzitoriu de func ionare a motorului diesel, analizându-se diverse forme de definire, posibilit ile de determinare efectiv şi de optimizare a exploat rii acestuia şi consecin ele asupra eoonomicit ii, polu rii sonore şi chimice. 3. Eviden ierea particularit ilor func ion rii motorului diesel navalizat supraalimentat de tip Alco la regimul tranzitoriu de accelerare. 4. Studiul detaliat asupra echipamentelor de achizi ie şi prelucrare a datelor şi a influen elor factorilor exteriori asupra preciziei şi fidelit ii determin rilor experimentale şi a limitelor aparaturii actuale. 5. Stabilirea unei strategii adecvate de efectuare a model rii - simul rii pentru func ionarea optim a motorului diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare, aplicând analiza prin identificare a comportamentului dinamic şi a unei metodologii noi de proiectare asistat de calculator – CAD (Computer Aided Design). 6. M rimile tehnice caracteristice ale turbosuflantei calculate cu ajutorul modelului aplicat sunt foarte apropiate de cele m surate pe standul de încercare de la Uzina „Hidromecanica” din Braşov dup repara ia capital a acesteia, iar performan ele motorului diesel naval echipat cu turbosuflanta încercat la Braşov, înregistrate la punct fix, sunt de asemenea foarte apropiate de cele calculate cu ajutorul modelului alc tuit, ceea ce valideaz modelul propus. 7. Stabilirea unor indici de apreciere a dinamicit ii motorului diesel supraalimentat echipat cu tehnologii ca: T.G.V, supap „Wastegate”, sisteme Comprex, Hyperbar sau Spintex, EGR, HAM, SCR etc, comparativ cu motorul cu admisie natural sau cu motorul M.A.S. 8. Constituirea unei baze de date ob inute experimental şi practic, cu ajutorul c rora, prin modelare-simulare, poate fi efectuat verificarea func ion rii în parametrii optimi a agregatului motor diesel-turbosuflant . 9. Aceste cercet ri sunt utile pentru verificarea capabilit ii navei dup repara ii importante ale motorului sau a altor echipamente aferente acestuia, folosind datele experimentale m surate la recep ia lucr rilor respective de repara ii, iar modelul alc tuit poate fi utilizat şi în cadrul unor aplica ii tehnico – tactice de organizare şi desf şurare a opera iunilor navale de interven ie pe mare sau la fluviu aplicând softul J.C.A.T.S., pornind de la datele tehnice experimentale ob inute cu ocazia unor verific ri periodice ale tehnicii navale. Apreciind c lucrarea şi-a atins obiectivele propuse, totuşi nu poate fi exclus faptul c unele aspecte abordate pot fi supuse unor cercet ri mai aprofundate care se pot constitui în direc ii de cercetare imediat sau de perspectiv , iat câteva pe care le socotim interesante: 1. dezvoltarea programului de prelevare, achizi ie şi prelucrare a datelor astfel încât s pun în eviden cu mai mare fidelitate rezultatele cercet rilor experimentale, 2. perfec ionarea modelului pentru motorul diesel prin modelarea şi simularea mai aprofundat şi a altor componente ale sistemului de propulsie sau energetic al navei, 3. Modelarea-simularea comportamentului de tranzit (regimurile tranzitorii), pentru complexul navă în ansamblu. 37 BIBLIOGRAFIE (SELECTIV ) [1] Ab it ncei D., Bobescu Gh. - Motoare pentru automobile şi tractoare, vol. II, Editura Tehnicã Bucureşti, 1980, [2] Alexandru Dragalina, Traian Florea, Neculai Iurea, Corneliu Costiniuc, Traian Vasile Florea – „Fuel injection system of the intelligent engine” – lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Academia For elor Aeriene Braşov, mai 2007, [3] Alexandru Dragalina, Traian Florea, Neculai Iurea, Corneliu Costiniuc, Traian Vasile Florea, „Modeling concepts of naval propulsion plants” , lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Academia For elor Terestre Sibiu, octombrie 2007, [4] Alexandru Dragalina, Traian Florea, Neculai Iurea, Anastase Pruiu, Traian Vasile Florea - „Experimental researches regarding the naval diesel engines running” , lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Academia Tehnic a Moldovei, Chişin u, 2010, [5] Alexandru Costic , Maşini şi instala ii navale de propulsie, Editura Tehnic , Bucureşti, 1991, [7] Apostol Ionel - Stadiul actual al cercet rilor privind reducerea emisiilor poluante şi consumului de combustibil la motoarele diesel, Referat de doctorat, Braşov, 2006, [9] Apostolescu N. - Cercetarea experimental a maşinilor termice, Editura Tehnic , Bucureşti, 1979, [11] ATZ – Autotechnology; 11-12 November - December 2008, volume 8, [12] Bobescu Gh., Radu Gh.-A., Chiru A. ş.a. - Motoare pentru automobile şi tractoare, vol. 1, 2, 3, Editura Tehnic , Chişin u, 1996 – 2000, [13] Bobescu Gh., Radu Gh.-A., ş.a.-Tehnici speciale pentru reducerea consumului de combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule, Universitatea „Transilvania”, Braşov, 1989, [16] Buzbuchi N., Sab u A. - Motoare diesel navale, Procese, Construc ie, Exploatare, Editura Bren, Bucureşti, 2001, [17] Buzbuchi N. - Dinamica sistemelor de propulsie naval , Tipografia Institutului de Marin Civil , Constan a, 1998, [18] Buzbuchi N, Stan L. - Dynamic behavior of marine propulsion system under the operation factors influence, Analele Universit ii Maritime, Constan a, 2008, [19] Buzbuchi N, Stan L. - Construc ia motoarelor navale şi a sistemelor auxiliare ale acestora, Editura Nautica, Constan a, 2008, [20] Buzbuchi N, Taraza D, Lyridis D.- Improvement of Marine Diesel Engine Dynamic Behavior on Design and Operating Stage, Institute of Marine Engineering London, 1995, [21] Buzdugan Gh. ş.a., Dubbell – Manualul Inginerului Mecanic – Fundamente, Editura Tehnica, Bucuresti, 1998, [22] Caietul de sarcini al standului de probe de la uzina „Hidromecanica - 2”, Braşov, [23] Caietul de sarcini al standului de probe de la sediul „U.C.M.”, Reşi a, [24] Cartea tehnic a motorului „ALCO”, U.C.M. Reşi a, 1982, [25] Cartea tehnic a turbosuflantei tip „TS-131”, Hidromecanica Braşov, 1981, [29] C lim nescu I, Stan L, Buzbuchi N, - Finite Element Analysis Simulation of the Combustion in Gas Turbines, International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power System, September 2008, [30] C lim nescu I, Stan L. - Testing and Finite Element Analsys of a Fuel Injector in a Supersonic Aie Stream, International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power System, Octomber 2008, [31] Ceang I. - Dinamica sistemelor navale de propulsie, Editura Tehnicã Bucureşti, 2003, 38 [33] Ciobotaru T. - Încercarea blindatelor, automobilelor şi tractoarelor, Editura Academiei Tehnice Militare Bucureşti, 1996, [35] Cofaru C., ş.a. - Proiectarea motoarelor pentru autovehicule. Universitatea „Transilvania” Braşov, 1997, [37] Copae I., Matei L. - Sisteme automate de blindate. Automatica motorului, Editura Academiei Tehnice Militare Bucureşti, 1994, [39] Cre a Gavril - Turbine cu abur şi cu gaze, Editura Tehnic , Bucureşti, 1996, [41] Dieter Bohn ş.a., Non - symetric inflow towards a multistage turbine and effects on the flow regimes, MTZ Worldwide, nr. 7-8, iulie-aug.1998, [47] Dragalina Alexandru - Motoare cu ardere internã. Construc ie şi calcul, vol. I, II, III, Editura Academiei Navale, Constan a, 2001...2003, [49] Filipi Z. - Diesel engine system simulation, Forth Annual Conference on Modeling of Ground Vehicles, Michigan, 1998, [50] Gairing von Max ş,a. - Der Einflub von Kraftstoffeigenschafter amf die Abgasemissionen moderner Dieselmotoren von Mercedes - Benz, Motortechnische Zeitschrift nr.1, 1994, [51] Galeev V.L. - Perehodnie rejimi dvs s nodduvom pri regulirovanii turbokompressora izmeneriem ugla operescenia podaci dizeleia, Dvigatele Stroenie nr. 2, 1988, [52] Gîrbea D.- Analiz cu elemente finite, Editura tehnic , Bucureşti, 1990, [53] Ghinea M., Fire eanu V. - „ MATLAB – Calcul numeric. Grafic . Aplica ii”, Editura Teora, Bucureşti, 1995, [54] Grünwald B. - Teoria, calculul şi construc ia motoarelor pentru autovehicule rutiere, Ed. Did. şi Ped. Bucureşti, 1980, [55] Hans Zellbeck ş.a. - New Concepts of Supercharging to improve the acceleration performance of internal combustion engines, MTZ Worldwide nr. 6, 1999, [57] Harndorf von Hast, Kuhnt H.W. - Verbesserung des Instationarverhantels aufgeladener Dieselmotoren durch Zusatzlufteinblasung um Turbolader, Motortechnische Zeitschrift nr.1, 1995, [59] Honeywell Turbo Tehnologies Ltd. 2009, [60] Ionescu G. – M sur tori şi traductoare, Editura didactic şi pedagogic , Bucureşti, 1985, [61] Ispas N. ş.a. – Air – fuel mixing process and combustion in supercharging diesel engine – a -6 – a Conferin Interna ional „EFSA”, Bucureşti, 1998, [62] Iurea N. - Optimizarea schimbului de gaze la motoarele cu aprindere prin compresie navale- lucrare prezentat la „ Cea de - a - XIX- a sesiune de comunic ri ştiin ifice cu participare interna ional „Nav – Mar - Edu”- Constan a, 2005, [63] Iurea N.- Stadiul actual al cercet rilor privind regimurile tranzitorii de func ionare ale motoarelor diesel, Referat de doctorat, Braşov, martie 2006, [64] Iurea N. - Cercetarea experimental a motoarelor diesel supraalimentate la regimuri tranzitorii de pornire şi accelerare, Referat de doctorat, Braşov, februarie 2007, [65] Iurea N. - Studiul posibilit ilor de micşorare a duratei regimurilor tranzitorii de pornire şi accelerare la motoarele diesel supraalimentate, Referat de doctorat, Braşov, martie 2008, [66] Iurea N. - Poluarea mediului de c tre motoarele diesel navale, lucrare prezentat la Sesiunea Na ional de Comunic ri Ştiin ifice, Academia For elor Aeriene, Braşov, mai 2006, [67] Iurea N. - Motoarele cu aprindere prin comprimare şi mediul înconjur tor, lucrare prezentat la Simpozionul na ional cu participare interna ional „Acvadepol”, Gala i, iulie 2006, [68] Iurea N. - Cercet ri privind posibilit ile de reducere a emisiilor poluante la motoarele diesel navale supraalimentate, la regimuri tranzitorii, lucrare prezentat la a XI-a Sesiune na ional de comunic ri ştiin ifice cu participare interna ional , Sibiu, noiembrie 2006, 39 [69] JCATS (Joint Combat and Tactical Simulation); Program de simulare tactic a unei activit i aplicativ – practice, Constan a 2009, [70] Jenzer J.- On the dynamics of the diesel power plant, New Sulzer Diesel, Switzerland, 1991, [71] Jurnalul de maşini de la bordul navei tip „DM - RM” din portul Constan a, [72] Kerth J. Prediction and Measurement of the Rotordynamic Response of an Automotive Turbocharger with floating ring bearing, Texas University, 2003, [73] Kovach M.- Motor Vehicle Engines, Edition Mir, Moscow, 1979, [75] Maier V. - Mecanica şi construc ia navei, vol. 1,2,3, Editura Tehnic Bucureşti, 19831989, [76] Mayer Michael - Turbochargers, effective use of exhaust gas energy, Augsburg, 2001; [77] Manea L., Dragalina A. - Calculul motoarelor termice din zona portuar , Ed. Universit ii „Ovidius”, Constan a, 1995, [78] Manea L, Buzbuchi N, Manea A, Dragalina A. ş.a. - Motoare termice în zona portuar , vol. 1,2, Bucureşti, Editura Matrix Rom, 2001, [80]. Mihoc D., ş.a. - Teoria probabilit ilor şi statistic matematic , Editura didactic şi pedagogic , Bucureşti, 1980, [82] *** Motorship, the Motor Ship Publishing Office, London, 1995….2008, [83] MTZ, Colec iile din anii 2005-2010, www.mtzworldwide.de, [85] Neacşu S. - Cercet ri privind comportarea autovehiculelor speciale la func ionarea în regim tranzitoriu, Tez de doctorat, Braşov, 2005, [86] Neculai Iurea, Alexandru Dragalina - „Modalit i de îmbun t ire a func ion rii motoarelor diesel la regimul tranzitoriu de accelerare” – lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Academia For elor Aeriene Braşov, mai 2007, [87] Neculai Iurea, Alexandru Dragalina, Ionel Apostol - „ Effectiveness of the naval diesel engine function at the transient states of speeding”, lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Academia Naval Constan a, noiembrie 2007, [88] Neculai Iurea, Alexandru Dragalina - „ More respectful to the surrounding environment from naval diesel engines”- lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Universitatea „Ovidius” Constan a, mai 2008, [89] Neculai Iurea, Alexandru Dragalina - „Modelarea matematic a func ion rii motorului diesel la regimul tranzitoriu de accelerare”- lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Universitatea Craiova, octombrie 2008, [90] Neculai Iurea, Alexandru Dragalina, Daniel Dragomir - „Cercet ri privind performan ele unei turbosuflante ce echipeaz motoarele diesel navale, dup repararea acestora”- lucrare prezentat la Sesiunea na ional cu participare interna ional de comunic ri ştiin ifice, Universitatea Politehnica Bucureşti, noiembrie 2009, [91] Neculai Iurea - „The function of naval supercharged internal combustion engine in accelerate transient state”- lucrare de absolvire a cursului intensiv de limba englez „Secondary English Language Centre” – Mangalia, octombrie 2009...martie 2010, [92] Olariu V, Br tianu C, Modelare numeric cu elemente finite, Editura tehnic Bucureşti, 1986, [94] Papuc F., Copae I. - Optimizarea func ion rii sistemului de reglare automat a tura iei motorului Diesel, Lucr rile conferin ei na ionale de termotehnic , Bucureşti, 28-30 mai 1993, [98] Popa G. M., Negurescu N., Pan C. - Motoare diesel, vol. I, II, Editura Matrix Rom, Bucureşti; 2003-2004, 40 [99] Radu Gh. Alexandru, Ispas N.- Calculul şi construc ia instala iilor auxiliare ale autovehiculelor, Editura Universit ii Transilvania, Braşov, 1988, [100] R ducu D. - Considera ii cu privire la studiul agregatelor de turbosupraalimentare a motoarelor navale, teza de doctorat, Universitatea Maritim , Constan a, 2008, [101] Revista autotehnica - 1/2007, [107] *** Stroenie Dvigateli, Moskwa, 1984…2005, [108] STAS 2872/1 - 86; Prelucrarea rezultatelor m sur torilor. Terminologie şi reguli generale de prezentare a rezultatelor, [109] STAS 10093/3 – 86.Metode de m surare. Terminologie, [110] STAS 11278 – 79. Identificarea rezultatelor aberante ale m sur rilor, [111] Şabac Gh.- Matematici speciale, Editura didactic şi pedagogic Bucureşti, 1981, [113] Tabacu I. ş.a.- Aspects concerning instant torque evaluation when accelerating a turbocharged diesel engine, Conference CONAT, Braşov, 2004, [115] Taraza D.- Dinamica motoarelor cu ardere intern , Editura didactic şi pedagogic Bucureşti, 1985, [116] Tudor I. - Culegere de standarde de desen tehnic; Editura didactic şi pedagogic , Bucureşti, 1991, [117] Turcoiu Titi - Comanda, protec ia şi supravegherea motorului naval, Editura Tehnic , Bucureşti, 2004 - edi ie revizuit şi completat , [119] Uzunov Gh. Pruiu A. ş.a. - Manualul ofi erului mecanic maritim, vol.I, II, Editura Tehnic , Bucureşti, 1997, 2000, [120] Voinea R. ş.a. Mecanic , Editura didactic şi pedagogic Bucureşti, 1983, [123] Voicu M. - Introducere în automatic , Editura Polirom, Iaşi, 2002, [124] www.jurnalauto.com, [125] www.actu-environment.com, [126] www.auto-tehnica.ro, [127] www.siar.ro, [128] www.turbopower.ro, [129] www.mandiesel.com, [130] www.volkswagen.ro, [131] www. Honeywell Turbo Technologies. Com, [132] www.ingineria-automobilului. Ro, [134] Woods R. Modeling and simulation of dynamic systems, UK, 1997, [135] Zaharia C t lin Victor - Studii teoretice şi experimentale privind evaluarea performan elor unui autoturism supus unor accelera ii, Tez de doctorat, Piteşti, 2006. Anexe Anexa 4.1 a e r Tabelul 4.11 Media rezultatelor pentru cele zece determin ri experimentale Tura ia n [rot/min] 17000 19500 21000 22500 27000 ∆p2 Diferen a de 35 55 70 85 95 presiune la [mmHg] diafragm Depresiunea la ∆p1 0,065 0,0110 0,0130 0,0145 0,0155 intrare [MPa] p2 0,053 0,07 0,08 0,09 0,093 Presiunea la [MPa] ieşirea din suflant 349 357 364 376 387 Temperatura la t2 [K] ieşire Temperatura la t1 279 281 282 284 286 41 32000 105 34000 115 0,0170 0,0185 0,1 0,128 399 425 288 291 intrare Temperatura la intrare Presiunea la intrarea in turbin Temperatura la ieşire Presiunea la ieşire u Presiunea la l intrare e Temperature la i intrare Temperatura la ieşire a Presiunea la p intrare Temperatura la intrare Temperatura la ieşire Raportul presiunilor totale Debitul volumetric g a z e Debitul masic Randamentul adiabatic al suflantei Randamentul adiabatic al turbinei Viteza vibra iilor [K] t3 [K] p3 [MPa] 873 883 903 913 923 948 958 0,044 0,055 0,073 0,091 0108 0,117 0,13 583 594 603 613 623 833 843 0,18 0,2 0,22 0,24 0,28 0.31 0.32 0,47 0,49 0,51 0,53 0,58 0.64 0.65 318 323 328 331 335 339 343 344 348 350 353 358 365 368 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0.05 0.05 323 325 327 331 336 339 342 347 350 352 354 356 358 360 1.59 1,83 1.97 2.06 2,11 2,15 2,2 Qv [m3/sec] QM [kg/sec] [%] 1.01 1,54 1.96 2.38 2,74 3.52 4,12 1.23 1,75 2.37 2.88 3,11 3,22 3,35 69 70 72 72.5 73 74 75 [%] 68 69 70 71,5 72 72,5 73 [mm/sec] 0,7 1,0 0,9 1,1 1,2 1,35 1,51 t4 [K] p4 [MPa] pu [MPa] t1u [K] t2u [K] pa [MPa] t1a [K] t2a [K] p2t/p1t Anexa 4.2 Tabelul 4.16 Media m rimilor ob inute la cele trei încerc ri pentru acelaşi tip de agregat în func iune la sarcin nominal , dup repara ii capitale şi for are la punct fix nr crt. nr. prob 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 ora 4:30 5:3 0 6:3 0 7:3 0 8:3 0 9:3 0 10: 30 11: 30 20: 30 21: 30 22: 30 23: 30 00: 30 1:3 0 2:3 0 3:3 0 1 puterea [%] 100 100 100 100 100 110 75 50 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 11 0 91 80 2 turatia [rot/min] 1000 100 0 100 0 100 0 100 0 100 5 91 0 80 0 10 00 10 00 10 00 10 00 10 00 11 00 91 0 80 0 3 puterea [CP] 2465 246 5 246 5 246 5 246 5 271 0 18 60 12 35 24 50 24 50 24 50 24 50 24 50 26 80 18 58 12 33 164 164 164 164 164 164 ,2 16 1 15 8 16 5 16 4,6 16 4,7 16 4,4 16 4,8 16 6 16 2 15 8 301 301 300 301 300 302 30 1 30 0 29 8 29 8 29 9 30 1 30 1 30 0 29 5 29 7 4 5 parametrul consum specific de combustibil [g/ CPh] temperatura aerului la intrarea în motor [K] 42 nr crt. 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 nr. prob 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 0,0 736 0,0 737 00, 737 0,0 738 0,0 73 1 18 30 0 0,0 72 3 13 74 0 0,0 73 4 21 65 0 0,0 73 4 21 70 0 00, 73 4 21 75 0 0,0 73 5 21 85 0 0,0 73 6 22 00 0 0,0 73 5 22 70 0 0,0 73 3 18 60 0 0,0 72 8 19 50 0 225 00 226 50 228 00 234 00 0,1 23 0,1 24 0,1 24 0,1 25 0,1 20 0,1 18 0,1 21 0,1 22 0,1 23 0,1 23 0,1 23 0,1 24 0,1 20 0,1 18 299 300 300 301 29 2 28 9 29 6 29 7 29 8 29 9 29 9 30 0 29 6 29 4 0,0 86 0,0 87 0,0 88 0,0 89 0,0 84 0,0 82 0,0 84 0,0 85 0,0 85 0,0 87 0,0 87 0,0 88 0,0 82 0,0 8 301 302 302 303 29 4 29 1 29 8 29 9 30 0 30 1 30 1 30 1 29 8 29 6 911 914 917 918 86 3 75 2 89 1 90 1 90 1 90 5 90 8 91 1 86 7 79 8 parametrul presiunea aerului 0,0 pe galeria de 0,0735 735 admisie [MPa] tura ia 223 turbosuflantei 22320 50 [rot/min] presiunea aerului 0,1 dup suflant 0,121 22 [MPa] temperatura aerului dup 298 299 suflant [K] presiunea aerului 0,0 înainte de suflant 0,085 86 [MPa] temperatura aerului în 300 301 colectorul de admisie [K] temperatura gazelor la intrarea 907 909 în turbin [K] presiunea gazelor la intrarea în turbin [MPa] temperatura gazelor dup turbin [K] presiunea gazelor dup turbin [MPa] presiunea combustibilului [MPa] presiunea uleiului în turbosuflant [MPa] 0,595 0,5 95 0,6 0,6 02 0,6 02 0,6 05 0,5 90 0,5 80 0,5 85 0,5 85 0,5 90 0,5 90 0,5 95 0,5 80 0,5 70 0,5 65 607 608 609 610 611 612 59 4 59 2 60 3 60 5 60 6 60 8 60 9 61 1 60 1 59 4 0,482 0,4 82 0,4 83 0,4 84 0,4 84 0,4 85 0,4 80 0,4 77 0,4 72 0,4 62 0,4 63 0,4 64 0,4 64 0,4 65 0,4 61 0,4 58 0,33 0,3 3 0,3 3 0,3 2 0,3 2 0,3 2 0,3 4 0,3 4 0,2 8 0,2 8 0,2 8 0,2 8 0,2 8 0,2 9 0,3 0,3 2 0,38 0,3 8 0,3 8 0,3 6 0,3 6 0,3 5 0,3 4 0,3 0,3 9 0,3 9 0,3 9 0,3 9 0,3 6 0,3 4 0,3 3 0,3 2 Anexa 6.1 Tabelul 6.11 Media m rimilor func ionale ale motorului “ALCO” la creşterea sarcinii de la 70 la 95 %, ob inute cu nava în misiune Nr. timpul [h] 07h,10΄ 07h,20΄ 07h,30΄ 07h,40΄ 07h,50΄ 08. 00 Crt. parametrul 1 Tura ia n [rot/min] 700 750 800 850 900 950 2 Puterea P [CP] 1780 1900 2000 2100 2200 2350 Consumul specific de 3 159 160 161 162 164 165 combustibil cs [g/CPh] 4 Randamentul indicat i 0,22 0,27 0,32 0,38 0,4 0,44 5 Randamentul efectiv e 0,18 0,22 0,27 0,29 0,3 0,32 6 Cuplul motor Mm [Nm] 185 235 285 335 325 310 Cuplul rezistent Mr 175 225 275 325 315 305 7 [Nm] Turatia turbosuflantei 8 16950 19450 22450 26950 29950 30950 nts [rot/min] Coeficientul de exces 9 0,08 0,091 0,35 0,65 0,81 1,25 de aer α Presiunea maxim de 10 4,4 5,1 6,1 7,3 8 9,1 ardere pmax ard [MPa] 11 Temperatura gazelor de 750 780 800 825 835 845 43 12 13 14 15 evacuare tgev [K] Presiunea combustibilului în instala ie pcb [MPa] Presiunea aerului dup suflant ps [MPa] Temperatura aerului în colectorul de admisie [K] Presiunea gazelor la intrarea în turbin [MPa] 0,23 0,24 0,25 0,26 0,28 0,3 0,098 0,106 0,11 0.114 0,118 0,122 289 293 297 302 306 310 0,585 0,589 0,594 0,596 0,0,598 0,601 Rezumat Obiectivul lucr rii cu titlul „Studii experimentale şi în mediul virtual cu privire la func ionarea unui motor diesel naval supraalimentat în regim tranzitoriu de accelerare”, const în studii experimental/practice şi în mediul virtual cu privire la modalit ile de micşorare a duratei de func ionare a agregatului motor – turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare, dup efectuarea lucr rilor de reparare a acestuia. Astfel, lucrarea sugereaz în egal m sur pentru specialiştii în proiectare şi fabricare atât solu ii de ordin constructiv cât şi de exploatare a agregatului, astfel încât acesta s aib o eficien şi dinamicitate ridicate pe timpul foarte scurt de func ionare în regim tranzitoriu de accelerare, pe fondul micşor rii consumului de combustibil şi a emisiei de noxe. Abstract The objective of the book entitled „Experimental and virtual studies about the functioning of a supercharged diesel engine in a transitory acceleration state”, consists of experimental/ practical and virtual studies about ways of diminishing the working time of the turboblower – engine assembly in a tranzitory acceleration state. Thus, the book suggests in equal measure for the designing and manufacturing specialists, both design and exploit of aggregate, in order this to have an high efficientcy and dynamics on the very short active time in transitory acceleration state, diminishing the fuel consumption and gas emissions. 44 CURRICULUM VITAE DATE PERSONALE: Nume: Prenume: Data naşterii: Locul naşterii: Adresa domiciliu: e-mail: STUDII LICEALE: 1977-1981 STUDII UNIVERSITARE: 1981-1985 IUREA Neculai 24.06.1962 Liteni - Suceava str. Eliber rii nr. 21, bl. I.V 31, sc.C, ap.25, [email protected] Liceul Militar de Marin “Alexandru Ioan Cuza” Constan a Institutul de Marin “Mircea cel B trîn” Constan a, Facultatea de Electromecanic Naval , specialitatea electromecanic STUDII POSTUNIVERSITARE: 1988 -1989 – curs de psihologie, pedagogie şi conducere ştiin ific a înv mântului militar - ofiţeri, Bucuresti; 1996; atestat de “master” în urma cursurilor de “T.Q.M.; tehnologia calit ii managementului în Armata României”, patronate de c tre Universitatea “Ovidius” Constan a. şi Statul Major al For elor Navale Române. 1997 - 1998 – cursuri integrate în cadrul “CERONAV”- Constanta ; 1999 - ob inerea brevetului de “Ofi er mecanic maritim III – interna ional”; 2001 - absolvirea cursului „Ecologia şi protec ia mediului”Academia Naval Constan a; 2003 - absolvirea cursului departamental de psihopedagogie şi psihologie, pentru perfec ionarea personalului didactic din înv mânt, Univ. “Ovidius”, Constanta; 2004- admis la studii doctorale în specializarea “Inginerie Mecanic ” din cadrul Universit ii “Transilvania”– Braşov - România. ACTIVITATE PROFESIONAL : 1985-1990; ofi er ambarcat la mare si fluviu pe diferite nave ale Marinei Militare Române; 1990-1993; comandant subunit i de elevi din Şcoala Militar de Maiştri de Marin “Amiral Ion Murgescu”, Constanta; 1993-2005; instructor, instructor şef şi instructor superior la catedra electromecanic naval din Şcoala Militar de Maiştri de Marin “Amiral Ion Murgescu”, Constanta; 2005-2008; comandant de batalion elevi din Şcoala Militar de Maiştri de Marin “Amiral Ion Murgescu”, Constanta; 2008 – instructor superior la catedra electromecanic naval din cadrul Şcolii Militare de Maiştri de Marin “Amiral Ion Murgescu”, Constanta. ACTIVITATE ŞTIIN IFIC : 16 lucr ri de specialitate prezentate la diferite sesiuni ştiin ifice, peste 30 de articole cu specific “marin ” ap rute în publica ii ale Armatei şi 7 note de curs (2 ca autor unic), toate pentru instruirea de specialitate în primul rând, a elevilor din institu ia în care îmi desf şor activitatea. Am fost cooptat cu colegii din catedr la realizarea a 4 brevete de inova ie. LIMB STR IN : engleza – bine, rusa – satisf c tor. 45