UNIVERSITATEA "TRANSILVANIA" BRAOVFACULTATEA DE INGINERIE MECANIC

ing. Neculai IUREA STUDII EXPERIMENTALE I N MEDIUL VIRTUAL CU PRIVIRE LA FUNCIONAREA UNUI MOTOR DIESEL NAVAL SUPRAALIMENTAT N REGIM TRANZITORIU DE ACCELERARE EXPERIMENTAL AND VIRTUAL STUDIES ABOUT THE FUNCTIONING OF A SUPERCHARGED DIESEL ENGINE IN A TRANSITORY ACCELERATION STATEREZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT SUMMARY OF PHD THESIS

Conductor tiinific:

Prof. univ.dr.h.c. ing. Gheorghe BOBESCUBRAOV 2010 1

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI I SPORTULUI

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOVB-DUL EROILOR, NR. 29 - 500036, TEL. 0040413000, FAX 0040268410525 RECTORAT D-nei / lui.............................................................

COMPONENA Comisiei de doctorat Numit pri Ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov nr. 4146/12.07.2010 PREEDINTE: prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU DECAN Facultatea Inginerie Mecanic Universitatea Transilvania din Braov CONDUCTOR TIINIFIC: prof. univ. dr. ing., dr. h. c. Gheorghe BOBESCU Universitatea Transilvania din Braov REFERENI: prof. univ. dr. ing. Traian FLOREA Academia Naval Mircea cel Btrn din Constana prof. univ. dr. ing. ec. Laureniu MANEA Universitatea Ovidius din Constana prof. univ. dr. ing. dr. h. c. Gheorghe Alexandru RADU Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora, i locul susinerii publice a tezei de doctorat: Miercuri, 29 septembrie 2010, ora 10.00, sala UI II. Aprecierile sau observaiile asupra coninutului lucrrii, v rugm s le transmitei n timp util pe adresa Universitii Transilvania din Braov, la Catedra Autovehicule i Motoare a Facultii de Motoare sau pe adresa de e-mail: iureaneculai@yahoo.com.

2

INTRODUCERE Lucrarea de fa i propune prezentarea unor aspecte eseniale legate de influenele regimurilor tranzitorii de funcionare ale motoarelor cu ardere intern, alimentate cu combustibili grei, asupra performanelor dinamice i ecologice ale navelor maritime i fluviale speciale pe care acestea le echipeaz. Studiile autorului, legate de regimurile funcionale ale motorului diesel, au fost ncepute din anul 2003. Este meritul n primul rnd al conductorului tiinific, prof. univ. dr.h.c. ing. Gheorghe BOBESCU, care a propus spre cercetare, funcionarea motorului diesel supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare, n septembrie 2004, dup disertaia prezentat de ctre autor. Preocuprile unor membri ai Catedrei de Autovehicule i Motoare, a Facultii de Inginerie Mecanic din cadrul Universitii Transilvania din Braov, legate de studiul i dezvoltarea motoarelor diesel supraalimentate, cu injecie direct, de nalt performan, sunt ns i mai vechi. Doresc s-i adresez cele mai sincere mulumiri i toat consideraia mea, domnului prof. univ. dr.h.c. ing. Gheorghe BOBESCU, conductorul tiinific al tezei, pentru ndrumarea competent i tot sprijinul acordat pe ntreaga perioad a desfurrii pregtirii de doctorat. in s le mulumesc de asemenea domnilor prof. univ. dr. ing: Alexandru-Gheorghe RADU, Laureniu MANEA, Alexandru DRAGALINA, Anghel CHIRU pentru sprijinul i ideile valoroase date n diferite momente de realizare a lucrrii. Un sprijin deosebit pentru efectuarea cercetrilor experimentale l-am avut din partea d-lui ing. Neculai HONCIUC de la uzina Hidromecanica-2-Braov, iar pentru partea de modelare simulare am colaborat cu d-na prof. dr. Ligia SPORI de la Academia Naval Mircea cel Btrn, respectiv cu dl. cpt. ing. informatician Tiberiu MOLDOVAN din cadrul Centrului de Instruire, Simulare i Evaluare al Forelor Navale-Constana, mulumesc de asemenea. Doresc s mai mulumesc pe aceast cale i colegilor care m-au ajutat ntr-un fel sau altul pe perioada de timp afectat elaborrii lucrrii. Nu n ultimul rnd, mulumesc soiei i fiicei pentru nelegerea i sprijinul acordate n momentele cele mai grele de pregtire a acestei lucrri. Constana 2010, Neculai IUREA crora le

3

CUPRINS T R

INTRODUCERE.............................................................................................................. 2.......3 1 SCOPUL I OBIECTIVELE LUCRRII......................................................................5.......5 2 REGIMURILE TERMICE I CARACTERISTICILE MOTOARELOR NAVALE..........................................................................................................................7.......6 2.1 Regimurile de funcionare 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 Influena avansului la injecie i a sarcinii motorului asupra duratei accelerrii; fenomene ondulatorii n canalizaiile de admisie i evacuare...............................16......8 3 SUPRAALIMENTAREA MOTORULUI DIESEL NAVAL..................................... ..24.....9 3.1 Principii de realizare a supraalimentrii..........................................................24.....9 3.6 Supraalimentarea forat (mixt).....................................................................37...10 4 CERCETAREA EXPERIMENTAL A FUNCIONRII MOTORULUI DIESEL LA REGIM TRANZITORIU DE ACCELERARE.................................................................46...13 4.1 Generaliti.......................................................................................................46...13 4.3 Aspecte specifice n cercetarea regimurilor tranzitorii de funcionare ale motoarelor diesel navale supraalimentate..........................................................................48...13 4.4 Optimizarea funcionrii motorului cu turbosuflanta...50..15 5 POSIBILITI DE MICORARE A DURATEI DE FUNCIONARE A MOTOARELOR DIESEL SUPRAALIMENTATE LA REGIMURI TRANZITORII DE ACCELERARE.................................................................................................................63...19 5.1 Durata regimurilor tranzitorii o problem de economicitate i eficien a motoarelor diesel navale supraalimentate........................................................................63.....19 5.1.1 Modaliti constructive i funcionale de micorare a duratei regimurilor tranzitorii de pornire i accelerare a motoarelor diesel supraalimentate..............63.....19 5.2 Echipamente de scdere a emisiilor de noxe din gazele de evacuare ale motoarelor diesel navale i de optimizare a funcionrii 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 CONSIDERAII PRIVIND MODELAREA MATEMATIC...................................87.....23 6.1 Aspecte generale............................................................................................87.....23 6.2 Necesitatea modelrii i simulrii funcionrii unui sistem tehnic................87.....23 6.3 Modelarea matematic a regimurilor tranzitorii; ipoteze generale ale funcionrii agregatului motor - turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare............................88.....24 6.4 Aspecte ale comportrii 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 numeric 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 Contribuii personale i deschideri ale tezei de doctorat...............................113....36 BIBLIOGRAFIE.............................................................................................................115....38 PRESCURTRI UTILIZATE N 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 I OBIECTIVELE LUCRRII Scopul principal al lucrrii este de optimizare a funcionrii unui motor diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare. Avnd n vedere problematica supus analizei n cadrul lucrrii, principalele obiective urmrite sunt urmtoarele: 1. Elaborarea i aplicarea unei metodologii unitare i coerente de studiu teoretic, experimental i prin modelare simulare, a dinamicii unui agregat motor - turbosuflant, printr-o abordare sistemic i interdisciplinar, cu mijloace i procedee utilizate la ora actual pe plan mondial i prin aplicarea conceptelor i algoritmilor de deservire ale motoarelor. 2. Desfurarea de cercetri experimentale asupra unui agregat de supraalimentare prin folosirea unei aparaturi de investigare, cu posibiliti de achiziie, stocare i prelucrare a datelor i prin efectuarea unor ncercri care s concorde cu o situaie care apare cu o frecven mare n exploatarea agregatului motor turbosuflant, anume accelerarea foarte des ntlnit n practic. 3. Evidenierea i aplicarea n 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 i procedeelor specifice domeniului analizei prin identificare a comportamentului dinamic. 5. Evidenierea diferenelor dintre studiul clasic al comportrii dinamice a motorului diesel naval supraalimentat, cu nava la cheu i cel bazat pe utilizarea mrimilor obinute la ncercrile aceluiai motor, aflat la bordul navei care execut o misiune. 6. Constituirea unei baze de date referitoare la funcionarea motoarelor diesel navale supraalimentate i la performanele de putere, dinamicitate i de economicitate ale acestora. Etapele corespunztoare desfurrii cercetrilor Structura lucrrii este pe ase capitole. Astfel, capitolul 1 prezint scopul i obiectivele lucrrii. n cadrul capitolului 2 sunt sintetic prezentate caracteristicile funcionale i regimurile de funcionare ale motoarelor diesel navalizate, cu accent pe analiza funcionrii acestora n regim tranzitoriu de accelerare. Capitolul 3 este destinat prezentrii succinte a modalitilor de supraalimentare pentru motoarele diesel navalizate, ct i fenomenele specifice acestui proces. Capitolul 4 este destinat activitii de cercetare experimental a funcionrii agregatului motor diesel naval turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare. Capitolul 5 face o analiz a procedeelor de micorare a duratei de funcionare a motoarelor diesel navale supraalimentate n regim tranzitoriu de accelerare. Capitolul 6 este destinat considerentelor legate de modelarea i simularea matematic a funcionrii unui motor diesel naval supraalimentat aflat n funciune n regim tranzitoriu de accelerare, evideniindu-se faptul c, prin aplicarea metodelor de simulare numeric se pot obine rezultate comparabile cu cele reale. n final se prezint concluziile generale i contribuiile personale aduse n studiul teoretic, experimental i prin modelare/simulare al comportamentului dinamic pentru motoarele diesel navale supraalimentate; analizndu se i posibilele deschideri oferite de aceste cercetri.

6

2 REGIMURILE TERMICE I CARACTERISTICILE MOTOARELOR NAVALE Regimul de funcionare al unui motor naval este caracterizat de condiiile de exploatare, reliefate prin indicatorii de putere mecanic i de economicitate, analizai din punctul de vedere al solicitrilor termice i mecanice. Trei sunt mrimile fundamentale care definesc regimul de funcionare al unui motor: sarcina, turaia arborelui cotit i regimul termic al agregatului. Pentru aprecierea calitativ i cantitativ a regimului de funcionare, se folosesc urmtoarele categorii de indicatori: economico-energetici (consumurile de combustibil, puterea, turaia, presiunile amestecului carburant etc.) i de exploatare (presiuni i temperaturi ale fluidelor de lucru). 2.1 Regimurile de funcionare ale motoarelor termice Motoarele navale de propulsie funcioneaz n diferite condiii de exploatare, determinate de starea tehnic a navei i a instalaiei de propulsie, dar i de condiiile externe de navigaie, tipul i ncrctura navei, modul de transmitere a energiei de la motor la propulsor. 2.2 Regimul stabilizat (permanent) Regimul stabilizat este cel n care indicii de funcionare ai motorului (n - turaie, M - cuplu, stare termic etc) nu variaz n timp, funcionarea acestuia fiind stabil i de lung durat. [46]. Astfel, funcie de durata de funcionare a motorului, se disting: regimuri de funcionare continu; regimuri de funcionare intermitent. Regimul de funcionare continu este acel regim n care, la orice turaie, motorul dezvolt n mod continuu cea mai mare putere efectiv, cel mai mare moment motor efectiv i cea mai mare presiune medie efectiv, cu condiia ca indicatorii tehnico-economici i de fiabilitate s rmn constani [46]. Mrimile enumerate se numesc mrimi efective continue i se noteaz cu Pec, Mec i pec. n figura 2.1 este prezentat locul geometric al tuturor punctelor Pec i Mec. Regimul de funcionare intermitent este acela n care puterea efectiv, momentul motor efectiv i presiunea medie efectiv sunt superioare mrimilor Pec, Mec i pec pentru intervale scurte de timp, fr a fi afectate durabilitatea i inuta de serviciu pentru motor. Valorile maxime ale puterii, momentului motor i presiunii medii pe care acesta le dezvolt la regimuri intermitente se numesc: putere efectiv intermitent (Pei), moment motor intermitent (Mei) i presiune medie intermitent (pei). n aceeai figur se indic i locul geometric al tuturor punctelor Pei i Mei, domeniul haurat reprezentnd domeniul de supraputeri al motorului diesel. Se observ de asemenea c Pec i Pei trec prin valori maxime (vrfurile de putere Pec max i Pei max). Turaia corespunztoare vrfului de putere se numete turaie de putere maxim np. n mod analog, Mec i Mei ating valori maxime (vrful de moment), iar turaia corespunztoare se numete turaie de moment maxim nM. La motoarele diesel, mrimea Pe max este situat n afara domeniului de funcionare. 2.3 Regimurile tranzitorii Regimul tranzitoriu este cel n care se nregistreaz variaia n limite largi ale parametrilor funcionali, situaie n care puterea generat de ctre motor difer de puterea de utilizare (puterea la elice).

7

Acesta presupune o evoluie n timp ntre dou stri stabile; el asigur trecerea de la un regim permanent la altul, precum i operaiunile de pornire (lansare), inversarea sensului de mar i oprirea motorului. Caracterul variabil n timp a unui parametru funcional oarecare al motorului prezint interes practic deosebit pentru c ilustreaz o serie de proprieti dinamice care determin comportarea sa n exploatare. 2.4 Caracteristicile regimurilor tranzitorii Pentru analiza regimului nestaionar sau tranzitoriu de funcionare a unui motor diesel, se urmrete variaia funcie de timp a unuia dintre parametrii: dPe d( M e ) dM e d = = +Me , (2.10) d d d d n care: dM e d i sunt derivatele pariale ale cuplului i respectiv, vitezei unghiulare de rotaie. dt dt n figura 2.8 sunt redate caracteristici statice i 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 n coordonatele Me = f(), poate fi reprezentat n cmpurile regimurilor staionare ale motorului, devenind posibil aplicarea acelorai relaii de dependen, precum i precizarea gradului de utilizare a puterilor statice posibile ale motorului n condiii nestaionare de funcionare. Valorile instantanee ale momentului motor la regimuri tranzitorii determinante sunt, de regul, mai mici dect la regimurile staionare.Fig. 2.8 Caracteristicile statice i dinamice ale unui motor diesel

2.5 Regimul de accelerare al motorului Accelerarea are loc pornind de la un regim stabilizat caracterizat de o turaie constant i se termin cu un alt regim stabilizat, caracterizat de o turaie constant mai ridicat dect cea anterioar. Parametrul definitoriu al regimului de accelerare este durata, msurat din momentul acionrii pedalei (cremalierei pompei de injecie) de acceleraie i pn la atingerea turaiei corespunztoare regimului stabilizat consecutiv regimului tranzitoriu. Un alt parametru care poate caracteriza regimul tranzitoriu de accelerare l reprezint numrul de cicluri efectuate de ctre motor ntre cele dou regimuri stabilizate care l ncadreaz. n figurile 2.9 i 2.10 se prezint curbele deplasrii prghiei de comand a pompei de injecie, deplasrii cremalierei sub aciunea regulatorului, precum i a turaiei arborelui cotit n procesul de accelerare [12]. Ambele figuri prezint mrimi ale aceluiai proces de accelerare. La nceput se poate observa o perioad care se desfoar la regim stabilizat. O dat cu acionarea prghiei de comand a pompei de injecie, cremaliera, sub aciunea regulatorului de turaie, se deplaseaz foarte rapid pn la nivelul cursei maxime. Aceast deplasare determin pulverizarea n cilindru a unei doze foarte mari de combustibil. Neavnd la dispoziie suficient aer, combustibilul nu arde n totalitate i, ca urmare, n gazele de evacuare apare o cantitate considerabil de particule (arderi incomplete, economicitate micorat, randament sczut).

8

Procesul tranzitoriu de accelerare duce la creterea temperaturii pereilor camerei de ardere i, astfel, din ce n ce mai mult combustibil se evapor, ns, din cauza lipsei de aer, nu poate arde n ntregime. Totui, dup cteva cicluri (n cazul nostru opt), regimul tranzitoriu se "stabilizeaz" astfel nct presiunea din cilindru atinge aceleai valori. Debitul de combustibil injectat n cilindru rmne maxim atta timp ct regulatorul pompei de injecie menine cremaliera n poziia cursei maxime. Durata debitului maxim depinde n mod considerabil de cuplul rezistent (sarcina), pe care trebuie s-l (o) nving motorul, precum i de valoarea avansului la injecie. Dup perioada n care cremaliera se menine n palier, ncepe retragerea lent a acesteia pn la poziia corespunztoare debitului necesar regimului stabilizat consecutiv accelerrii. 2.6 Influena avansului la injecie i a sarcinii motorului asupra duratei accelerrii; fenomene ondulatorii n canalizaiile de admisie i evacuare Avansul la injecie afecteaz n mare msur durata procesului de accelerare. Creterea sarcinii nu determin n mod constant mrirea duratei n care cremaliera rmne n palier. Se observ c avansurile mici nu sunt cele mai avantajoase, ajungndu-se ca la presiunea medie efectiv de 0,51 MPa, cel mai bun avans la injecie s fie de 23 0RAC.

n figura 2.13 se prezint durata corespunztoare accelerrii (msurat n numr de cicluri), n care cremaliera pompei de injecie se gsete la poziia de debit maxim [12]. Cele prezentate argumenteaz necesitatea modificrii avansului la injecie n scopul obinerii puterii maxime n timpul desfurrii procesului de accelerare. Sarcina influeneaz durata procesului de accelerare; este evident faptul c odat cu mrirea momentului motor util, durata procesului de accelerare crete. Pentru analizarea comportamentului motorului cu aprindere prin comprimare la accelerarea cu sarcini diferite, se aleg mai multe trepte de ncrcare a frnei standului de ncercri. Aceste ncrcri se exprim printr-un parametru efectiv al motorului i anume presiunea medie efectiv, msurat n MPa. Se observ (fig. 2.15), c cele mai scurte perioade de funcionare la debit maxim se obin

9

la sarcini reduse, iar cele mai lungi, la sarcini ridicate. Cele trei curbe reprezint variaia duratei n care pompa de injecie debiteaz cantitatea maxim de combustibil la cele trei avansuri diferite luate n considerare [12]. Avansul la injecie indicat de constructorul motorului (190RAC), asigur funcionarea corespunztoare a agregatului n timpul accelerrii numai n cazul sarcinilor mijlocii. La sarcini mici, motorul asigur performanele cele mai bune pentru avansuri la injecie mici, iar la sarcini mari sunt mai avantajoase avansurile mari. Concluzii: 1. Regimul tranzitoriu (nestaionar), la care cuplul motor i viteza unghiular de rotaie variaz continuu n timp, nu este recomandat pentru agregat, pentru c n aceast situaie are loc reducerea semnificativ a economicitii sale, pe fondul creterii pierderilor ineriale datorate nrutirii formrii amestecului carburant, dar i a arderii defectuoase la accelerri repetate. 2. Regimul tranzitoriu de accelerare este de dorit s fie ct mai scurt, pentru ca energia cinetic a maselor n micare de rototranslaie, s fie ct mai mic. Pentru domeniul naval au fost enumerate situaiile cnd un M.A.C. este exploatat n regim tranzitoriu, aceste regimuri putnd fi mai scurte sau mai lungi (dictate fiind att de ctre factorii externi corpului navei, ct i de cei interni). 3. Prin existena unor armturi (clapei), n cadrul variantelor de optimizare a supraalimentrii motorului naval, se armonizeaz procesul de schimb de gaze. Dar, prin asimetrizarea procesului cresc indicatorii de exploatare i economicitatea motorului diesel, funcionarea acestuia mbuntindu-se pe timpul regimului tranzitoriu de accelerare. 3 SUPRAALIMENTAREA MOTORULUI DIESEL NAVAL 3.1 Principii de realizare a supraalimentrii Sporirea masei de aer n decursul umplerii cilindrului prin creterea densitii, n scopul creterii puterii motorului, se numete supraalimentare [46]. Sau, supraalimentarea este procedeul de cretere a puterii motorului prin mrirea presiunii ncrcturii de aer proaspt. Este modalitatea care a ctigat teren n detrimentul altor ci de mrire a puterii motoarelor precum: creterea dimensiunilor cilindrului, a numrului de cilindri sau a turaiei motorului. Prin supraalimentare crete puterea motorului necesar compensrii pierderilor atunci cnd acesta funcioneaz n regim tranzitoriu pe o mare cu valuri sau alte obstacole. La turbina cu geometrie variabil (fig. 3.13), viteza de curgere a gazelor este controlat prin modificarea geometriei ajutajelor statorului (are loc practic reglarea poziiei voleilor/aripioarelor directoare statorice pe nchis/deschis mai mult sau mai puin, cu ajutorul unei capsule pneumatice de pilotare, dispus ca un platou turnant/inel concentric cu axul), funcie de cantitatea de gaze arse furnizate turbinei de ctre motor.

10

Comanda camelor platoului este automatizat; pneumatic (fig. 3.14), sau electric. Acest agregat echipeaz motoarele care funcioneaz la diverse regimuri, reducndu-se astfel timpul de atingere a valorii de presiune cu aproximativ 30%, tot cu att reducndu-se i cantitile de noxe, iar consumul specific de combustibil scade cu circa 10% . Paletele statorice, n micarea lor de rotaie, vor pivota la unghiul comandat de diferena de presiune a aerului dintre ieirea i intrarea suflantei, fie prin intermediul camelor, fie a unor prghii cu cremaliere de reglare a poziiei acestora.

Fig. 3.14 Seciune transversal a inelului de reglare a paletajului statoric la turbina cu geometrie variabil, funcie de sarcina motorului

La bordul navelor moderne exist un microcalculator care are capacitatea de punere n eviden a avantajelor supraalimentrii prin turbin cu geometrie variabil, comparativ cu celelalte metode de acordare a turbosuflantei cu motorul, aceasta furniznd o valoare a presiunii de supraalimentare pentru aer corespunztoare regimului la care funcioneaz motorul, chiar i pentru turaii sczute (fig. 3.15). 3.6 Supraalimentarea forat (mixt) ntruct M.A.C. funcioneaz ntr-un domeniu larg de turaii, rezult c este necesar o reglare a presiunii de supraalimentare, pentru a se asigura presiuni suficiente de aer la diferite turaii.

11

Dup cum am mai spus, reglarea presiunii aerului de supraalimentare la accelerrile decelerrile motorului se realizeaz prin mai multe metode constructive (implicit i funcionale), cele mai aplicate fiind: turbosuflanta clasic, turbina cu geometrie variabil, supapa de tip wastegate etc. n continuare vor fi prezentate i alte variante constructive, aplicate cu succes motoarelor diesel, funcie de tipul i firma productoare. Pentru motorul diesel naval, supraalimentarea mixt se realizeaz n mai multe variante constructive [16]:

Fig. 3. 21 Variante de supraalimentare forat

a. Supraalimentarea M.A.C. n 4 timpi cu agregat turbocompresor, care utilizeaz energia gazelor arse prin destinderea prelungit a acestora n paletajul turbinei, rezultnd astfel lucrul mecanic necesar antrenrii suflantei (fig. 3. 21). La varianta din figura 3. 21.a, flexibilitatea supraalimentrii este asigurat de clapetul B2, care se va deschide pentru sarcini de sub 50% asigurnd astfel optimizarea funcionrii motorului la sarcini pariale mici. La varianta din figura 3. 21.b, care are un convertor de impuls (CI) pe colectorul de evacuare i un clapet by-pass ntre tubulatura de refulare a suflantei i cea de evacuare a gazelor arse din motor, precum i un clapet regulator pe colectorul de admisie. b. Sistemul de supraalimentare secvenial (fig. 3.25). Pentru regimuri joase funcioneaz numai perechea T1 S1, iar la regimuri ridicate, ambele agregate. Reducerea solicitrilor termice i mecanice ale motorului se poate obine i prin creterea cantitii de aer. O parte din aceasta trece prin cilindru fr s ia parte la ardere, ceea ce nu este eficient. Pentru a remedia acest neajuns se crete valoarea unghiului de suprapunere a deschiderii

Fig. 3.25 Sistem de supraalimentare secvenial; la regimuri joase funcioneaz numai grupul T1-S1, iar la regimuri nalte, ambele grupuri

supapelor, care va determina o mbuntire a umplerii. Acest lucru este datorat micorrii cantitii de gaze arse rmase n cilindru [97].

12

Figura 3. 29 ne arat c rspunsul la accelerare al motorului echipat cu turbin cu geometrie variabil, cruia i variaz sarcina (turaia), este mai scurt comparativ cu rspunsul aceluiai motor, dar echipat cu supap de tip wastegate.

O alternativ mai puin costisitoare o constituie echiparea motorului cu nc o suflant acionat electric (fig. 3. 30), prin intermediul creia are loc suplimentarea cu aer proaspt a motorului atunci cnd momentul de inerie la axul turbinei este mic. De altfel, i din grafic (fig. 3. 31), se disting performanele la accelerare ale motorului termic echipat cu supap wastegate (linia ntrerupt), comparativ cu suflanta acionat electric sau turbina cu geometrie variabil (linia continu) [82].

13

Ambele echipamente vor rspunde mai rapid la variaia de turaie pentru arborele cotit al motorului astfel nct, comparativ cu turbosuflanta clasic, acestea vor face ca agregatul de supraalimentare s ajung la sarcina total ntr-un timp mult mai scurt. Concluzii: 1. Puterea unui motor crete ns cu creterea cantitii de combustibil ars ntr-un ciclu, ceea ce necesit creterea masei de aer existent n cilindru la sfritul procesului de umplere. 2. O cale de evitare a mbogirii excesive a amestecului n perioada accelerrii i de limitare n acest fel a fumului de pe evacuare (gradul de fum se msoar n uniti Bosch i variaz pe o scar cuprins ntre 1 i 6, cnd agregatul a intrat n regim optim, limita trebuie s tind ctre valoarea 1, maxim 2), este ca pompa de injecie s fie echipat cu un limitator de debit care acioneaz n funcie de valoarea presiunii aerului de supraalimentare. 3. Utilizarea unei turbine cu geometrie variabil reduce timpul de rspuns la accelerare al motorului, iar la creterea seciunii de curgere a gazelor arse, scade contrapresiunea din traseul de evacuare. Acest fapt duce la o mbuntire a umplerii cilindrilor cu amestec proaspt, implicit o cretere global a performanelor motorului. 4. La M.A.C. supraalimentat consumul specific de combustibil se reduce comparativ cu M.A.C. cu aspiraie natural; aceast scdere este mai pronunat cu ct este mai redus sarcina motorului. 5. Datorit aportului suplimentar de aer care are loc o dat cu creterea turaiei, un M.A.C. supraalimentat emite o cantitate de fum mult mai redus fa de un motor cu aspiraie natural (este mai nepoluant). 4 CERCETAREA EXPERIMENTAL A FUNCIONRII MOTORULUI DIESEL LA REGIM TRANZITORIU DE ACCELERARE 4.1 Generaliti Un program de cercetare experimental a funcionrii unui agregat naval supraalimentat n regim tranzitoriu (n caz particular, de accelerare), trebuie s nceap cu ridicarea principalelor caracteristici de funcionare ale acestuia la regimuri stabile, apoi trebuie determinate principalele mrimi de stare ale procesului de schimb de gaze n corelare cu desfurarea ntregului ciclu de funcionare. Dac s-au stabilit mrimile care trebuie msurate, se lanseaz motorul, se atinge funcionarea n gol, dup care se procedeaz la introducerea treptat n sarcin i la accelerarea acestuia. Aprecierile cantitative i calitative ale comportrii motorului n regim tranzitoriu se pot face doar prin analiza comparativ a mrimilor obinute experimental, cu cele de funcionare ale motorului n regimuri stabilizate. Mrimile specifice regimului tranzitoriu se vor reprezenta n coordonate relative, acestea fiind raportate la valorile corespunztoare regimului stabil (toate mrimile se reprezint grafic n aceleai sisteme de coordonate, de aa natur nct vor rezulta diferene ntre comportarea agregatului n cele dou regimuri de funcionare). 4.3 Aspecte specifice n cercetarea regimurilor tranzitorii de funcionare ale motoarelor diesel navale supraalimentate Cercetarea experimental a regimului tranzitoriu de funcionare al motoarelor diesel navale se caracterizeaz printr-o complexitate deosebit de ridicat datorit variaiei rapide n timp a unui numr mare de parametri [9]. Drept urmare, pentru prima etap a cercetrii este necesar stabilirea cu claritate a tematicii i a problemelor de investigat, n strns concordan cu scopul final; optimizarea funcionrii agregatului motor diesel naval turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare.

14

4.4 Optimizarea funcionrii motorului cu turbosuflanta. Pentru studiul (tehnico - aplicativ), de optimizare a funcionrii motorului diesel (MD) navalizat supraalimentat, de tip ALCO care are urmtoarele caracteristici principale [42]: - numrul de cilindri 12, - alezaj 228 mm, - cursa 267 mm; - cilindreea 131400 cm3, - raportul de compresie 12,5; - turaia nominal 1000 rot/min, - turaia maxim 1100 rot/min, - turaia 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 i echipat cu o turbosuflant din familia TS 6, tip 131, la regimuri tranzitorii de accelerare, a fost necesar efectuarea unei cercetri experimentale a agregatului de supraalimentare. Aceasta s-a realizat pe standul de probe AU-7650 (fig. 4.3), (atestat n conformitate cu prevederile OMT nr. 410 din 1999), aflat n incinta uzinei Hidromecanica - 2 Braov [22], cu scopul determinrii mrimilor tehnice funcionale specifice proceselor tranzitorii de accelerare pentru turbosuflanta care echipeaz acest tip de motor, cu urmtoarea modificare constructiv la turbosuflant; un orificiu cu clapet (ibr) sau van prevzut n amonte de paletajul suflantei, pe tubulatura de admisie aer, astfel nct s se genereze regimul nestabilizat n funcionarea turbinei.

Fig. 4.3 Standul de probe turbosuflante de la uzina Hidromecanica - 2 Braov

Fig. 4.4 Tabloul de comand al standului

Dup ce s-a pus n micare de rotaie agregatul, s-a crescut treptat turaia pn la cea maxim admisibil. Valorile obinute la prima ncercare sunt cuprinse n fia de control (tabelul nr. 4.1, anexa nr. 4.1, pag. 122 din tez). Valorile obinute la urmtoarele nou ncercri, sunt cuprinse n fiele de control (tabelele 4.2... 4.10 din aceeai anex). Valorile medii ale acestor mrimi sunt cuprinse n tabelul 4.11. Fcndu-se o comparaie ntre aceste valori i cele cuprinse n fia tehnic de fabricaie a agregatului turbosuflant (tabelul 4.12) [42], s-a constatat o abatere a valorilor de ncercare de sub 1,5%, limitele fiind admisibile. Toate tabelele se constituie n anexa 4.1. O medie a acestor valori este exprimat n tabelul 4.11 de la pagina 39. Exprimarea grafic a valorilor medii cuprinse n tabelul 4.11 (anexa 4.1 pag. 39 ), este redat n figura 4.5. Se observ existena unei directe proporionaliti ntre valorile de presiune i temperatur ale fluidelor de lucru (ap, aer, ulei i gaze), din turbosuflanta care a fost supus probelor de stand.

15

Fig. 4.5 Reprezentrile grafice ale variaiilor de presiune i temperatur pentru agenii de lucru din turbosuflanta tip TS, functie de turaia de antrenare a acesteia, prescris de ctre standul de ncercri de la uzina Hidromecanica 2 - Braov

Condiii de realizare a experimentului: Presiunea barometric = 735,5 mmHg.; temperatura ambiant = 15 0C.; durata probei = 20 min. Timp de oprire liber de la turaia de 16000 rot/min = 120 sec.; data: 16, 17.02.2006; produsul: TS - 6, seria: 131. Valoarea debitului de aer refulat de compresor (la turaia i intervalul raportului de presiuni, prevzute n programul de testare) se compar cu valoarea din documentaia tehnic a compresorului supus testrii, fa de care se admite o abatere de maxim 7%. Nivelul de vibraii s-a determinat cu senzorul (traductorul), fixat pe un prezon al capacului de lagr al turbinei, indicndu-se la aparatul de msur numit vibrometru, valori a cror medie se nscrie n parametri, adic sub 2,8 mm/s (tab. 4.1...4.10). Timpul de oprire liber s-a msurat ncepnd de la turaia de 16000 rot/min pn la atingerea turaiei zero i nu a fost mai mare de dou minute.

16

Msurarea presiunii barometrice s-a fcut cu o precizie de 1mm col. Hg, iar a presiunii n conducta de aspiraie, ct i a presiunii aerului refulat de ctre compresor i a gazelor, la intrarea i ieirea din turbin, s-a fcut cu manometre cu clasa de precizie 1,5. Senzorii sunt dispozitive electronice care realizeaz detecia mrimii de lucru i o transmit ctre elementul de comand. Senzorii/traductoarele aferente manometrelor de pe circuitele de aer i gaze au avut marjele de msurare (0...10) V sau (4..20) mA. Msurarea temperaturilor s-a fcut cu aparate de msur din clasa de precizie 1,5. Traductoarele aferente termometrelor au avut marjele de msurare (12...24) V sau 220 V. Msurarea turaiilor s-a fcut cu aparatul denumit tahometru, avnd clasa de precizie de 1%. Traductorul aferent tahometrului a fost de tipul digital cu afiaj electronic, avnd marja de msurare (10...24) V. Durata ncercrii de funcionare a fost de 20 de minute, din momentul atingerii temperaturii 0 de 650 C la intrarea gazelor n turbin, iar durata total a unei ncercri cu foc a fost de 25 de minute.

Fig. 4.8 Schema general a unei instalaii de testare, dup reparaii, a agregatelor de tip TS

Indicatorii de apreciere calitativ a proceselor tranzitorii au fost considerai timpul i limita de turaie minim stabil de mers n gol (n0). Schema de principiu a instalaiei experimentale este prezentat n figura 4.8, cifrele avnd urmtoarele semnificaii: 1. tubulatura de aspiraie a aerului n compresor; 2. tubulatura de recirculare; 3. camera de ardere; 4. tubulatura de evacuare gaze; 5. tubulatura de aspiraie a aerului de aport (aer n exces cu scopul coborrii 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. n conformitate cu standardele existente, standul lucreaz cu un nivel de performan dat de relaia (4.2) TOT = c t m = 0 ,82 0 ,8 0 ,94 = 0 ,61 , care este un randament bun pentru turbosuflanta probat de instalaia standului Hidromecanica 2 Braov, comparabil cu a altor turbine similare. Pentru un randament i mai bun, specialitilor proiectani i constructori din cadrul uzinei, lise recomand s aib n vedere urmtoarele mrimi, definitorii n realizarea unui agregat competitiv: numrul de palete, lungimea i limea acestora, dar i unghiul de dispunere n butucul rotoric, precum i raza de racordare a acestora. Temperatura n interiorul camerei de ardere a instalaiei standului ( fig. 4.6), este cuprins ntre 1800...2000 0C, iar coeficientul excesului de aer , 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 coborrii valorii de temperatur din camera de ardere (care este n legtur direct cu turbosuflanta supus ncercrilor), a standului pn la aproximativ cea recomandat de cartea tehnic, pentru funcionarea optim a turbinei, impactul din punct de vedere termic i dinamic fiind astfel, relativ similar cu situaia cnd turbosuflanta ar echipa motorul aflat n funciune la bordul navei. Din cauza valorilor de presiune i temperatur dinaintea, din timpul i dup arderea amestecului carburant, pentru turbosuflant, la verificarea pe stand nu pot fi nregistrate valorile specifice regimurilor tranzitorii. Acest lucru s-ar putea realiza dac turbosuflanta ar echipa motorul dup care s se fac acordarea i funcionarea acestora la regimuri tranzitorii. Rezultatele nregistrate prin citirea aparatelor de msur din punctul de comand central (PCC), pe timpul funcionrii motorului diesel naval supraalimentat (fig. 4.9), i n regim de accelerare aflat la bordul unei nave (fig. 4.10), din portul Constana, sunt prezentate n tabelele 4.13...4.16 [56], care se constituie n 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 pregtit pentru pornire i lansat la cheu dup care s-a fcut deplasarea navei n raionul din rada exterioar portului, destinat pentru ncercri. Parametrii nregistrai tabelar au fost citii cu ajutorul a.m.c. aflate pe pupitrul de comand, supraveghere i control din compartimentul energetic al navei, traductorii pentru valorile de presiune, temperatur i debit al gazelor arse i a aerului proaspt, precum i pentru turaia arborelui motor sau turbosuflantei, fiind caracterizai de aceleai mrimi care sunt specifice standului de la ntreprinderea Hidromecanica 2. Fcnd o comparaie ntre valorile mrimilor medii obinute cu agregatul motorturbosuflant n funciune dup reparaii capitale, cu forare progresiv la punct fix (mpingere n digul de stabilopozi de la intrarea n portul Constana - tabelul 4.16), i valorile mrimilor medii obinute pentru turbosuflanta n funciune pe standul de probe al uzinei Hidromecanica - 2 din Braov - tabelul 4.11), se ajunge la concluzia c nu exist diferene foarte mari ntre valorile obinute la msurtorile efectuate pe stand i cele fcute la bordul navei aflat n mar cu forare la punct fix, constatndu-se o abatere a valorilor de ncercare de peste 1,5%, acest lucru datornduse faptului c n cadrul experimentelor efectuate la uzina din Braov, turbosuflanta n-a echipat efectiv motorul diesel, aa cum s-a ntmplat cu ocazia ncercrilor din acvatoriul Constana cu forarea navei la punct fix. Contextele diferite n care turbosuflanta a fost supus probelor, justific n cea mai mare msur abaterea valorilor obinute n cel de cel de al-II-lea caz fa de primul caz, cu un procent mai mare de 1,5 %. Totui sistemul de propulsie al navei a fost garantat pentru nc o funcionare de 10 ani, economicitatea, ct i gradul de poluare fiind puin mbuntite, pentru o putere nominal a motorului diminuat cu pn la zece procente. n figura 4.11 sunt prezentate graficele de variaie a valorilor de presiune i temperatur pentru gazele arse i aerul de supraalimentare, funcie de turaia turbosuflantei, n cazul funcionrii acesteia n regim de variaie a sarcinii. Se constat o direct proporionalitate ntre valorile acestor mrimi.

18

Fig. 4.11 Graficele de variaie ale valorilor de presiune i temperatur pentru gazele arse i aerul de supraalimentare, funcie de turaia turbosuflantei

Avnd n tabelul 4.16 valorile medii pentru puterea i turaia agregatului motor turbosuflant, dar exprimate procentual n tabelul 4.17, s-a putut calcula cu ajutorul relaiei (2.2),Tabelul 4.17 Valorile medii pentru puterea i cuplul agregatului motor turbosuflant funcie de turaia sa nr. Punct de crt. prob 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Observaii Parametrul 1 2 3 turaia, n [%] puterea, P [%] cuplul, M [%] 70 40 40 75 50 50 80 60 60 85 70 70 90 80 80 95 85 85 100 90 90 103 100 100 108 110 110

momentul motor corespunztor acestor mrimi. Prin urmare, se poate trasa graficul care exprim variaia puterii i a cuplului pentru motorul diesel naval supraalimentat, funcie de turaia acestuia (fig. 4.12).

Fig. 4.12 Graficul de variaie a puterii i a cuplului motorului, funcie de turaia acestuia; A - zona de exploatare n regim continuu; B - zona de exploatare pentru scurt durat; C - zona de funcionare pentru probe

19

Zona de funcionare optim a agregatului motor diesel turbosuflant este considerat zona A, corespunztoare exploatrii motorului diesel naval supraalimentat n regim de putere nominal maxim continu (2465 CP). Concluzii: 1. Achiziia 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 strii tehnice a navelor i diagnosticarea acesteia, se pot face relativ comod, n urma msurrii parametrilor caracteristici ai motoarelor de propulsie de la bord. 3. Desfurarea activitilor din cadrul unui program de cercetare experimental a funcionrii agregatului motor cu ardere intern - turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare, de achiziie i de prelucrare a datelor nregistrate, conduce n final la rezultate care nu au abateri dect n limite admisibile fa de valorile nscrise n cartea tehnic (formularul tehnico tactic), a navei. 5 POSIBILITI DE MICORARE A DURATEI DE FUNCIONARE A MOTOARELOR DIESEL SUPRAALIMENTATE LA REGIMURI TRANZITORII DE ACCELERARE 5.1 Durata regimurilor tranzitorii o problem de economicitate i eficien a motoarelor diesel navale supraalimentate Funcionarea motorului diesel n regim tranzitoriu este caracterizat printr-o economicitate mai sczut datorit pierderilor inerionale, nrutirii procesului de formare a amestecului, a ngreunrii arderii, mbogirii amestecului la accelerare, schimbului de gaze, transferului termic etc. i pentru motoarele diesel navale regimul tranzitoriu de funcionare este mai frecvent dect cel stabilizat. La accelerarea deplasrii unei nave, puterea efectiv a motorului i momentul motor efectiv rmn sub valorile corespunztoare regimului stabilizat, iar consumul specific de combustibil este mai mare. Din aceast cauz mbuntirea calitilor dinamice ale navei se realizeaz n prezent prin utilizarea unor motoare cu rezerv mare de putere. 5.1.1 Modaliti constructive i funcionale de micorare a duratei regimurilor tranzitorii de pornire i accelerare a motoarelor diesel supraalimentate Cercettorii aparinnd consoriilor puternic dezvoltate [81] n probleme legate de proiectarea, construcia i exploatarea motoarelor cu ardere intern, caut continuu ci de mrire a randamentului acestora, simultan cu obinerea unei mai bune economiciti i a micorrii coninutului de noxe din gazele de evacuare, la funcionarea n regim tranzitoriu. Astfel, atenia lor se canalizeaz pe: modificri de form i dimensiuni la colectoarele de admisie; modificarea seciunii de trecere a agenilor de lucru pe sub supape sau lumini ferestre, coroborat cu transformri n lanul cinematic al sistemului de distribuie; creterea numrului de supape/cilindru, care s fie monitorizate electronic. Despre modul cum modificrile constructive aduse colectoarelor de admisie, pot influena pozitiv funcionarea motorului la regimurile tranzitorii de pornire i accelerare, inclusiv micorarea duratei acestora, se va prezenta n cele ce urmeaz. Construcia colectoarelor de admisie reprezint un compromis ntre obinerea momentului motor maxim la turaii joase i obinerea puterii maxime la turaii ridicate. Ideal ar fi construirea unor galerii de admisie care, la fiecare valoare a turaiei motorului, prin reglare fr trepte, s aib lungimea optim a galeriei i diametrul, corespunztoare unei umpleri eficace. n condiiile extreme de funcionare ale M.A.C. navale (variaii de temperatur i presiune ale fluidelor de lucru, oscilaii n plan longitudinal sau/i transversal ale corpului navei, care se

20

transmit i sistemului de propulsie al navei), asemenea sisteme cu reglare continu a traseului de admisie nu se pot realiza tocmai datorit acestor variaii n timp foarte scurt, nemailund n considerare i costurile pentru comanda sistemului i durata de via a mecanismului de reglare. Prin urmare, n practica auto, se utilizeaz colectoarele de admisie de comutaie cu dou sau trei trepte, cu diferite lungimi i diametre, n funcie de turaie [98]. Forma colectorului depinde de construcia motorului i de numrul de cilindri. Numrul cilindrilor este important deoarece el determin forma oscilaiei i amplificarea pulsaiilor gazelor proaspete n colectorul de admisie.

Treapta 2 sarcini partiale

Treapta 3 sarcini totale

Fig. 5.1 Funcionarea M.A.I. echipat cu galerii de admisie de comutaie 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 nct s se ndeplineasc majoritatea cerinelor. Patru colectoare similare ca lungime, au capetele racordate la un tub colectiv, la captul cruia se afl seciunea clapetei de acceleraie. Astfel de colectoare au pierderi reduse i determin o putere ridicat. Lungimile i diametrele acestora sunt astfel determinate nct s se obin valori optime de funcionare. Altfel se prezint situaia la motoarele cu 8 i 12 cilindri (firmele Audi, respectiv BMW), caz n care toate colectoarele au la capt un tub colector, astfel nct poate fi produs o putere mai mare, direct proporional cu cantitatea de aer introdus. n aceste condiii, colectorul de admisie este distribuit unei grupe (linii) de cilindri (la motoarele n V), iar n ceea ce privete sistemul de aspiraie, motorul cu ase cilindri se echivaleaz cu dou motoare cu 3 cilindri respectiv, motorul cu 8 cilindri, n dou motoare cu 4 cilindri, iar motorul cu 12 cilindri, n dou motoare cu 6 cilindri (este i cazul motorului diesel naval supraalimentat Alco pentru propulsia navei, aflat n studiu, fabricat de ctre U.C.M. Reia). O problem cel puin la fel de delicat a motorului diesel naval, dac se compar cu motoarele de propulsie terestre, este ineria agregatului de supraalimentare la regimuri nestaionare de funcionare ale acestuia i anume ntrzierea rspunsului turbosuflantei la regimul de accelerare, cnd este nevoie de un surplus de aer, pe fondul creterii consumului de motorin. ns, acest combustibil are nevoie de mai mult aer pentru ardere, iar parametrii de stare ai gazelor arse evacuate din motor (n primul rnd cantitatea), sunt insuficieni pentru ca turbina s poat antrena suflanta la o turaie mai mare, astfel nct aceasta s furnizeze cantitatea de aer de care are nevoie motorul la accelerare. Prin urmare, trebuie s treac un timp n care i grupul s se accelereze i va aduce apoi parametrii aerului la valorile optime pentru motor. O modalitate de micorare a timpului de rspuns 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 n camera arztorului a unei cantiti suplimentare de motorin (1), n afar de cea ars n cilindrii motorului [53]. n aceste condiii, dac puterea furnizat de motor este mai mare, cantitatea de motorin ars n bypass-ul (2) va fi mai mic. Motorul s-a dinamizat prin faptul c a realizat un timp de rspuns rapid al grupului de supraalimentare, la cerinele de exploatare, cu consecinele legate de creterea consumului specific. i sistemul de optimizare Comprex (la care lucrul mecanic de comprimare este realizat de ctre gazele arse), asigur M.A.C. care funcioneaz la regimurile tranzitorii de Fig. 5.6 Sistemul de dinamizare ,,Hyperbar accelerare, o dinamicitate sporit.

Sistemul fiind legat mecanic cu motorul, va rspunde rapid la variaia de turaie astfel nct, comparativ cu turbosuflanta clasic, agregatul face ca motorul s ajung la sarcina total ntrun timp de cel puin cinci ori mai mic (fig. 5.7). Antrenarea agregatului de supraalimentare cu unde de presiune este fcut de ctre motor prin intermediul unei transmisii cu curea dinat, ns lucrul mecanic de comprimare este realizat de ctre gazele arse. Principalele componente ale Comprex ului sunt (fig. 5.8): rotorul - 1, carcasa acestuia - 5, ferestre de admisie i evacuare aer -10 i 8, respectiv gaze arse - 3 i 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 (sa = 2...2,8), fiind o soluie foarte atractiv pentru supraalimentarea M.A.C. Pentru a se evita suprasolicitrile mecanismului motor, supapa wastegate este reglat s se deschid atunci cnd sa> 2. 5.2 Echipamente de scdere a emisiilor de noxe din gazele de evacuare ale motoarelor diesel navale i de optimizare a funcionrii la regimul tranzitoriu de accelerare O metod de msurare prin conversie catalitic a concentraiei de NOx , NO2, i N2O este dispunerea pe traseul gazelor arse a unui dispozitiv al crui principiu de funcionare este cel al

22

fotometriei (radiaii ultraviolete) i pot fi echipate cu acesta motoarele diesel lente i semirapide. Principala condiie este ns existena n dotarea motorului, a catalizatorului (SCR). 5.2.1 Monitorizarea noxelor la motoarele diesel A. Generaliti: Atenia specialitilor este centrat pe emisia de gaze rezultate n urma arderilor din motorul cu ardere intern. Normativul prin care se monitorizeaz i sancioneaz activitile economice maritime i fluviale, este Anexa 6 a IMO, care include i standardele de eficien. Compoziia emisiilor de noxe din gazele evacuate ale unui motor diesel de la bordul navei este redat n figura 5.14 [82].

Specialitii au pus la punct metode primare i secundare de micorare a noxelor. n timp ce prin metodele primare se previne la surs (prin acionarea asupra modului de desfurare a proceselor termogazodinamice), formarea de poluani ca NOx , SOx , HC, CO, CO2 etc., prin metodele secundare care se aplic, se minimizeaz sau se recircul noxele din gazele arse deja generate i evacuate de ctre motorul de propulsie de la bordul navei, n atmosfer. 5.2.2 Minimizarea noxelor B. Metode primare de scdere a noxelor: B1: Controlul optimizrii injeciei. B2: Evaluarea fumului pe evacuare i a emisiei de particule. B3: Monitorizarea concentraiilor de sulf din combustibil, a HC i CO2 din gazele de evacuare ale motorului. Emisia n atmosfer de CO2 O alternativ de micorare cu peste 30% a acestor emisii, att la navele propulsate cu motoare diesel, ct i cu turbine cu abur sau gaze, este cea aplicat de ctre firma german MAN B&W i anume, de utilizare pentru ardere n 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 dect unul pozitiv. C. Metode reprezentative secundare de minimizare a noxelor: C1: Echiparea motorului cu EGR i umidificarea aerului de aspiraie. C2: Echiparea motorului cu SCR. C1: Echiparea motorului cu EGR i umidificarea aerului de aspiraie (HAM humid air motor)

23

Sunt dou ci al cror efect este modificarea proprietilor fizico-chimice pentru aerul de combustie cu scopul micorrii concentraiilor de NOx din gazele de evacuare ale motorului. Prin intermediul EGR se realizeaz o micorare a cantitii de O2 din aerul aspirat n 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 (n colaborare cu firma german MAN B&W DIESEL), a obinut o scdere a emisiilor de NOx de pn la 98% din gazele arse ale motorului. Principiul de funcionare este: traseul gazelor arse este mixat cu amoniac (NH3) sau uree i, n condiiile unei temperaturi T = 670...770 K au loc reaciile: 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 substanele N2 i H2O care nu sunt toxice pentru mediul nconjurtor! Instalaia 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 dect la regimuri staionare. Valoarea acestor reduceri ale umplerii depinde n principal de construcia traiectului de admisie. 2. La accelerarea motorului, o dat cu deplasarea cremalierei, pompa de injecie nu asigur la timp corectarea dozajului amestecului. 3. Economicitatea motorului termic este totdeauna mai sczut la accelerare dect la regimurile stabilizate. De aceea, factorul timp este foarte important, anume ca, durata funcionrii agregatului la regim tranzitoriu de accelerare, s fie ct mai scurt. 6 CONSIDERAII PRIVIND MODELAREA MATEMATIC 6.1 Aspecte generale Navele sunt echipate cu agregate energetice complexe formate din mai multe elemente funcionale care interacioneaz ntre ele pe timpul exploatrii. Fiecare din aceste elemente are anumite proprieti statice i dinamice care condiioneaz funcionarea motorului n ansamblu. 6.2 Necesitatea modelrii i simulrii funcionrii unui sistem tehnic Pentru studiul sistemelor complexe, singurele metode i modele de studiu acceptabile la ora actual sunt cele de simulare, iar modelele trebuie s reproduc ct mai fidel dinamica sistemului real.

24

Modelarea matematic se bazeaz pe existena unor similitudini matematice, fizice etc. ntre dou obiecte de studiu. Dac ntre dou obiecte se poate stabili o similitudine cel puin ntr-un anumit sens adic n raport cu una sau mai multe caracteristici atunci ntre obiecte exist o relaie de la original sau sistem real, la modelul su [116]. 6.3 Modelarea matematic a regimurilor tranzitorii; ipoteze generale ale funcionrii agregatului motor - turbosuflant la regimul tranzitoriu de accelerare Cel mai simplu model al motorului diesel supraalimentat este cel cvasistaionar care poate fi aplicat i celor semirapide, aa cum este cazul cu cel care echipeaz standul de ncercri, anume motorul ALCO. Acest model este definit de ecuaii de bilan energetic i masic din care rezult principalii parametri ai motorului (cuplu, turaie), ct i pentru instalaiile de alimentare cu combustibil i supraalimentare, definite prin gc, respectiv raportul gaer/gc, unde gaer - cantitatea de aer din cilindru introdus de ctre sistemul de supraalimentare. 6.4 Aspecte ale comportrii dinamice a motorului de propulsie Motorul diesel naval funcioneaz n sistem nchis de reglare a turaiei datorit perturbaiilor exterioare generate, n principal, de variaia cuplului rezistent la arbore, dat de elice. Ca obiect comandat, motorul diesel reprezint un sistem neliniar, cu parametri structurali variabili n timp, funcie de sarcina, turaia, presiunea i temperatura aerului de admisie, calitatea combustibilului .a.m.d. [31]. De aceea, aceast problem nu i-a gsit rezolvarea nc, utiliznduse n continuare modele matematice simplificate, care asigur analiza prin identificare a comportamentului dinamic. Aceast modalitate de rezolvare va fi adoptat i n cele ce urmeaz. 6.4.1 Modelarea dinamicii motorului diesel supraalimentat Avantajele deosebite pe care le asigur procesul de supraalimentare fac ca, n prezent, majoritatea covritoare a motoarelor diesel navale s fie supraalimentate. Cel mai utilizat agregat de supraalimentare este turbosuflanta, pentru care schema funcional relaionat cu motorul diesel de propulsie, este prezentat n figura 6.1. Indicatorii de apreciere calitativ a regimului tranzitoriu pentru turbosuflant sunt [31]: - variaia duratei acestuia = dt; - turaia minim (nmin.), stabil de mers n gol. d + M r adic; cuplul Ecuaia fundamental a unei acionri electromecanice este M = J dt motor trebuie s acopere momentele ineriale i cuplul rezistent. J reprezint momentul de inerie al

Fig. 6.1 Schema bloc a modelrii i simulrii funcionrii agregatului motor-turbosuflant

25

maselor rotitoare ale motorului, transmisiei i propulsorului. Cnd M > Mr , agregatul se accelereaz, iar pentru M < Mr, se produce o decelerare. Pentru M = Mr , agregatul este n regim staionar. Relaia M Mr = Md reprezint momentul dinamic al agregatului. Funciile de transfer date [31], care definesc sistemul, sunt: d pentru motor: J = M e M r (momentul dinamic = diferena Me-Mr) dup regimul dt static; d c pentru turbosuflant: J c = M t M c ; Jc momentul de inerie al rotorului suflantei; dt d 2z pentru regulatorul automat de turaie: m 2 = P E F ; P fora de meninere; E- fora dt de revenire; F frecarea i ineria sistemului; m- masa mufei regulatorului i a pieselor cu care acesta se rototranslateaz; z cursa mufei; t timpul; dG a d G a pentru colectorul de admisie: = Gc Gm = Gc Gm , n care: dt dt - Ga variaia masei de aer din colector, cantiti inegale; - Gc variaia masei de aer din compresor, - Gm variaia masei de aer la intrare n motor.

pentru colectorul de evacuare:

dGe dGe =G g G t = G g Gt , n care dt dt

- Ge variaia masei de gaze din colector, - Gg variaia masei de gaze la ieierea din motor, - Gt variaia masei de gaze la intrarea n turbin.

cantiti inegale;

Regimul de funcionare al unui SRA cuprins ntre dou regimuri staionare poart denumirea de regim dinamic sau tranzitoriu. Corespunztor celor dou regimuri de funcionare, mrimea de ieire xe(t) are o component forat xef(t) i o alta liber xel(t), astfel nct se poate scrie relaia: 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 ncheiat atunci cnd valoarea 2 xef , fr a mai depi ulterior aceast componentei libere a mrimii de ieire se reduce la 100 valoare. n urma calculelor, relaia (6.3) devine; Tm (6.14) + km = q + kp kv u k p, t Ecuaia (6.14) reprezint modelul matematic liniarizat al motorului diesel. n consecin, ecuaia regimului tranzitoriu liber este = 0 e-kt/T . (6.30) Expresia (6.30) exprim faptul c regimul tranzitoriu de accelerare al motorului diesel naval supraalimentat, este de tip aperiodic. Analiznd n aceast expresie cazul cnd variaz doar deplasarea cremalierei, se constat c dac Tm i km sunt pozitive, atunci procesul tranzitoriu este de tip amortizat (curbele 1 i 2 din figura 6.4.a).

26

Fig. 6.4 Variaia unor parametri, caracteristici procesului tranzitoriu de accelerare ale unui M.A.C. supraalimentat

Dac parametrul km < 0, atunci procesul tranzitoriu este neamortizat, situaie indicat prin curba 3 din aceeai figur (cazurile km < 0 i Tm < 0 nu au sens deoarece Tm nu poate lua dect valori pozitive). Procesul tranzitoriu se consider practic ncheiat atunci cnd curba obinut pentru (t) ptrunde ntr-o plaj de valori (mai mic dect gradul de instabilitate al motorului), fr s mai ias din acest interval [44]. Dup cum se poate vedea n figura 6. 4.a, procesul tranzitoriu 1 intr definitiv n aceast plaj la timpul t1, n timp ce intrarea definitiv a procesului tranzitoriu 2 n plaja de valori se realizeaz la timpul t2. Gradul de instabilitate al motorului este dat de expresia 1 = 2 100[%] . (6.31)

0

unde; 1 i 2 reprezint vitezele unghiulare maxim i minim nregistrate 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 funcional cu motorul, dictnd performanele acestuia i avnd parametrii q i dependeni de regimul de exploatare. Schema care ne arat modul de cuplare, este redat n figura 6.1. Cele dou mecanisme ale grupului de supraalimentare: compresorul C i turbina T, au rotoarele pe acelai ax iar caracteristicile lor statice au fost determinate la probele de stand. Turaia turbosuflantei se va stabiliza n punctul de intersecie al caracteristicilor aferente , unde este ndeplinit bilanul energetic MT = MC (fig. 6.5) [31].

Fig. 6.5 Diagrama de funcionare a mecanismului turbin-suflant

Ecuaia de echilibru dinamic pentru rotoarele celor dou maini este: d JCT c = MT MC, dt Cu notaiile fcute, expresia analitic de modelare dinamic a funcionrii agregatului turbosuflant sincron cu motorul la regimul tranzitoriu de accelerare, este: d TCT c - kcc = + qq . (6.35) dt Ecuaia (6.35) reprezint modelul dinamicii grupului turbosuflant (TK) de supraalimentare, cuplat funcional cu motorul prin parametrii q i care intr n modelul dinamic al motorului (6.14).

27

6.4.3 Modelarea dinamicii colectorului de admisie

Debitul masic GK care intr n C.A. este furnizat de compresor la presiunea pk i temperatura TK2 (fig. 6.6), care se obine dup rcirea aerului n rcitorul de baleiaj (R). n condiiile regimului staionar, se realizeaz bilanul aerului de supraalimentare: debitul livrat de ctre suflant, intr integral n motor , G K 0 = Gm 0 .

Dac parametrii motorului se modific, apar diferene ntre GK i Gm generate de variaiile Gc, Gm, pc preluate n volumul VCA al C.A. Cu notaiile fcute, expresia analitic de modelare a dinamicii colectorului de admisie/evacuare, este: d TCA + k CA = K . (6.39) dt Prin urmare, dinamica motorului supraalimentat este caracterizat de ecuaiile difereniale de ordinul I (6.14), (6.35) i (6.39), care redau exprimarea analitic a funcionrii motorului diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare. 6.5 Validarea modelului elaborat Durata ciclurilor de producie, de testare i ncercare a agregatelor poate fi redus foarte mult prin utilizarea echipamentelor de simulare pe computer, fiind eliminate prototipurile costisitoare i ncercrile experimentale care sunt mari consumatoare de resurse materiale, financiare i de timp. Datorit faptului c performanele dinamice la nivel sistem (acceleraia, reacia sistemului, manevrabilitatea, sarcina maxim etc), sunt puncte de interes pentru operator, este necesar crearea de echipamente de analiz i simulare pentru a facilita monitorizarea. Cunoaterea comportamentului dinamic al componentelor mecanice, termodinamice, electrice etc ale motorului termic este esenial, de aceea instrumentele alese pentru activitate trebuie s fie capabile s simuleze comportamentul de tranzit (regimurile tranzitorii), ale fiecrei componente n parte i a complexului nav n ansamblu. Este posibil descrierea matematic a comportrii dinamice a multor mecanisme i sisteme utilizndu-se ecuaiile difereniale neliniare (liniare), obinuite. Mai multe programe de simulare pe calculator (MathCAD, SistemBuild, Easy, Katya, Pro Engineer i altele), sunt concepute s rezolve sisteme de ecuaii difereniale neliniare (liniare), obinuite care pot fi utilizate pentru crearea unei simulri a complexului nav, n misiune. Ecuaiile (6.14), (6.35) i (6.39) din subcapitolul anterior modeleaz elemente care intr n structura schemei bloc, aceasta reprezentnd motorul i subsistemele sale. ntreg agregatul de propulsie al navei se poate pune sub forma caracteristic modelului structural funcional, definit prin ecuaiile de stare i cele de intrare/ieire. Ordonnd aceste ecuaii sub forma consacrat a modelului structural funcional, rezult sistemul care cuprinde urmtoarele ecuaii de stare:

28

d q u p = C1 + C1 q + C1 + C1 u + C1 p dt d k q = C2 k + C2 + C2 q + C2 dt d p = C3 + C3 k pk + C3 , dt

(6.40)

pentru rezolvarea crora, coeficienii se obin din diagramele statice i dinamice care caracterizeaz funcionarea la regim tranzitoriu de accelerare a agregatului de propulsie naval motorturbosuflant. Semnificaia mrimilor este urmtoarea; - C1 = coeficientul de variaie la regim tranzitoriu, a valorii momentului motor , dat de masele sale ineriale aflate n micare de roto-translaie; - = viteza unghiular relativ de rotaie a arborelui cotit al motorului (din calcule); q - C1 = coeficientul de modificare a cursei cremalierei pompei de injecie asupra duratei regimului tranzitoriu (din reprezentare grafic); - q = deplasarea relativ a cremalierei pompei de injecie (din msurri practice); - C1 = coeficientul de variaie a presiunii aerului de supraalimentare (din nomogram); - = presiunea relativ a aerului de supraalimentare din cilindrii motorului (din calcule); u - C1 = coeficientul de variaie a unghiului de rotire a elicei asupra duratei regimului tranzitoriu (din reprezentare grafic); - u = viteza relativ de rotaie a elicei (din calcule); p - C1 = coeficientul de variaie a rezistenei la naintare a navei asupra duratei regimului tranzitoriu (din reprezentare grafic); - p = viteza relativ de naintare a navei (din calcule); - C 2 k = coeficientul de variaie a vitezei de rotaie a turbosuflantei, asupra duratei regimului tranzitoriu; - kt = viteza relativ de rotaie a arborelui turbosuflantei (din calcule); - C 2 = coeficientul de variaie a momentului turbosuflantei; q - C 2 = coeficientul de variaie a deplasrilor (axiale, radiale), ale turbosuflantei; - C 2 = coeficientul de variaie a cursei cremalierei pompei de injecie; - C 3 ca = coeficientul de variaie a ineriei aerului pe admisie; - = variaia relativ a presiunii gazelor arse pe paletajul turbinei, asupra duratei regimului tranzitoriu (din calcule); - C 3pca = coeficientul de variaie a presiunii n colectorul de admisie; - C 3 ca = coeficientul de variaie a vitezei de rotaie a turbosuflantei. Modelul formulat permite determinarea prin simulare numeric a evoluiei n timp a parametrilor agregatului de supraalimentare atunci cnd se modific mrimea de intrare, care reprezint cantitatea de combustibil pe ciclu gc, aceasta fiind direct influenat de factorii aleatori interni i (sau), externi.

6.5.1 Simularea numeric a dinamicii turbosuflanteia) Pentru validarea modelului, trebuie ca ecuaia analitic a modelrii turbosuflantei: d ct q = C 2 ct c + C 2 ct + C 2 + C 2 , (6.41) dt exprimat grafic n urma simulrii numerice cu ajutorul modelului analogic definit de ecuaia ps = p0 + (1+ )

1800 2

0

n2 ,

(6.42)

29

n care; ps presiunea de supraalimentare, p0 presiunea atmosferic, p0 = 1,013 105 Pa, mrime variabil ( = 0,460,469), reprezint pierderile gazodinamice de pe traseul de admisie, 0 densitatea aerului de admisie, 0 = 1290 kg/m3, mrime constant ( = 21,078), dat de raportul dintre seciunea de trecere a aerului aferent supapei de admisie i volumul cilindrului, la ptrat, n turaia turbosuflantei; n = (17.00035.000) rot/min., s aib alura (fig. 6.7), aproximativ aceeai cu graficul trasat experimental pentru presiunea aerului de supraalimentare (fig. 4.5), funcie de turaia acesteia. n acest scop, pentru efectuarea propriu zis a simulrii numerice, s-a rezolvat ecuaia (6.43) aplicnd programul grafo analitic MatChad Professional 2000.Tabelul 6.1 Valorile de presiune ale aerului la intrarea i ieirea din suflant funcie de turaia acesteia i pierderile de pe traseul de admisie n 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 35000 37000 0.460 0.461 0.462 0.463 0.464 0.465 0.466 0.467 0.468 0.469 0.470 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 n suflant funcie de turaia acesteia i rezistenele gazodinamice de pe colectorul de admisie n 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 ps 0.051 0.059 0,067 0,076 0,084 0,093 0,101 0,115 0,124

Fig. 6.8 Reprezentarea spaial a presiunii aerului de supraalimentare din motor funcie de turaia suflantei i rezistenele gazodinamice de pe colectorul de admisie

30

Tabelul 6.3 Valorile de presiune ale gazelor arse n turbin funcie de turaia acesteia i rezistenele traiectului de gaze

gazodinamice ale

n 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

p ga0.107 0,101 0,093 0,082 0,073 0,064 0,055 0,046 0,035

Fig. 6.9 Reprezentarea spaial a presiunii gazelor arse din motor funcie de turaia turbinei i rezistenele gazodinamice de pe traiectul gazelor

6.5.2 Simularea numeric a dinamicii colectorului de admisie/evacuarePentru validarea modelului, trebuie ca ecuaia analitic a modelrii dinamicii colectorului de admisie a aerului proaspt sau a celui de gaze arse, d = C 3 + C 3pt + C 3 t , (6.43) dt exprimat grafic n urma simulrii numerice cu ajutorul modelului analogic definit de ecuaia pev = p0+ (1+) ev/2 (rn/30)2, (6.44) n care; pev presiunea de evacuare a gazelor arse, p0 presiunea atmosferic, p0 = 1,013 105 Pa 0,1 MPa, mrime variabil ( = 0,4560,556), reprezint pierderile gazodinamice de pe traseul de evacuare, ev densitatea gazelor arse, ev = 889 kg/m3, r- raza paletajului turbinei, r = 0,257 m, este o mrime constant, s aib alura (fig. 6.10), aproximativ aceeai cu graficul trasat experimental pentru presiunea gazelor arse (fig. 4.5), funcie de turaia turbosuflantei (valorile acestor mrimi sunt cuprinse n tabelul 6.4);Tabelul 6.4 Valorile de presiune ale gazelor arse la intrarea i ieirea din colector funcie de turaia turbinei i pierderile de pe traseul de evacuare n 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 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 comparaie ntre variaia curbelor de presiune ale gazelor arse obinute experimental (p3, p4) i cele trasate dup simularea numeric (presiunea de intrare-pi i presiunea de ieire- pe)

31

Tabelul 6.5 Valorile de presiune ale gazelor arse la intrarea/iesirea n/din colectorul de admisie/evacuare funcie de turaia turbosuflantei i rezistenele gazodinamice n 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 0,488 0,492 0,496 0,5 0,504 0,508 0,512 0,516 0,52 p ev1 0,035 0,044 0,053 0,062 0,071 0,08 0,089 0,098 0,107 p ev2 0,031 0,027 0,023 0,019 0,016 0,014 0,013 0,012 0,011 Fig. 6.11 Reprezentarea spaial a presiunii gazelor arse din motor funcie de turaia turbosuflantei i rezistenele gazodinamice de pe colectorul de admisie/evacuare

6.5.3 Simularea numeric a dinamicii motorului diesel supraalimentatEcuaia analitic a modelrii motorului diesel este; d m = C1 m + C1q q + C1 + C1u u + C1p p . (6.45) dt Pentru validarea experimentului practic efectuat cu nava n mar (fig. 4.12), aceasta solicitnd motorul prin mpingerea pe care o efectueaz n digul de larg (protecie), al intrrii n portul Constana, trebuie efectuat o simulare a funcionrii n sarcin a motorului diesel supraalimentat, considernd c prin intermediul urmtorului model analogic [44], se va reflecta ct mai fidel comportamentul agregatului n condiiile variaiei de turaie; pentru variaia turaiei 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 stnga graficului), obinute prin aplicarea modelului analogic pentru un agregat de propulsie, are alura aproximativ aceeai cu graficul (fig. 4.12), trasat cu valorile obinute pentru motorul diesel supraalimentat Alco ncercat la punct fix (mpingerea provocat de ctre nav ntr - un parapet montat pe digul de larg al portului Constana, pornirea motorului i introducerea progresiv n sarcin), dup reparaia sa i a turbosuflantei i care propulseaz o nav din cadrul firmei Coremar- Constana. n acest scop, pentru efectuarea propriu zis a simulrii numerice, s-a rezolvat sistemul de ecuaii aplicnd programul grafo analitic Excel Windows.

Fig. 6.13 Variaia puterii motorului funcie de turaia acestuia ntr-o anumit perioad de timp

32

6.5.4 Scenariu aplicativ - practic S se simuleze prin metoda grafo-analitic modalitatea n care se desfoar aciunea pe mare, de respingere de ctre nava albastr, propulsat de motorul diesel supraalimentat de tip Alco, a unui atac advers (efectuat de ctre un grup de cercetare/diversiune aflat la bordul navei roii), asupra unei sonde de foraj marin care exploreaz i face extracii de iei i gaze naturale n acvatoriul maritim, aparinnd statului albastru. Caracteristicile tehnico-tactice ale navei albastre care se deplaseaz n volte din baza naval aflat n portul Termis, spre inta din acvatoriu, definit de punctul P de coordonate ( = 440 38 21 longitudine, = 290 22 44 latitudine NE), sunt cuprinse n tabelul 6.7.Tabelul 6.7 Principalele caracteristici tehnico-tactice ale navei albastre Nr. crt. 1 2 3 4 5 Denumire Lungime x lime x nlime [m] Pescajul navei [m] Viteza de deplasare [nd] Consumul specific de motorin [g/CPh] Autonomie [Mm] Valoare 61x 9,5 x 15 3,5 16 163 5000

Are loc apropierea navei albastre, de locul aflat n disput, desfurndu-se cu succes manevra de evitare a coliziunii prin dese schimbri de drum i de vitez, concomitent cu o ripost hotrt la aciunile inamice prin executarea focului cu toate categoriile de armament asupra navei adverse (de culoare roie), ca rspuns la focul deschis executat de ctre aceasta.

33

Fig. 6.15 Simularea demonstrativ pe mare a exerciiului aplicativ practi

Pe timpul executrii misiunii, care a durat patru ore, au fost nregistrate valori pentru mrimile tehnice funcionale ale motorului de propulsie, care sunt cuprinse tabelar n 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

Fcnd o comparaie ntre valorile obinute dup derularea acestui studiu de caz (scenariu aplicativ practic) i cele nregistrate cu acelai motor (implicit, nav), cnd s-a efectuat ncercarea agregatului motor diesel naval - turbosuflant prin foraj la punct fix n digul de larg al portului Constana, se constat c diferenele care rezult se ncadreaz n marja de eroare ( 5 %), impus de ctre Jurnalul de maini (Formularul tehnico-tactic), prescris pentru aceast variant constructiv de nav [71]. Pentru rezolvarea acestui studiu de caz s-a utilizat o soluie soft de simulare aplicativ practic numit JCATS (Joint Combat and Tactical Simulations).

Concluzii: 1. Obinerea rezultatelor a fost posibil prin utilizarea software-lor MathCAD 2000 Professional, Microsoft Office Excel 2003 i Word. 2. Performanele turbosuflantei calculate cu ajutorul modelului alctuit sunt foarte apropiate de cele msurate pe standul de ncercare de la Uzina Hidromecanica din Braov dup reparaia capital a acesteia. 3. Performanele motorului diesel naval echipat cu turbosuflanta ncercat la Braov, nregistrate la punct fix, sunt de asemenea foarte apropiate de cele calculate cu ajutorul modelului alctuit, ceea ce valideaz modelul propus. 4. Aceste cercetri sunt utile pentru verificarea capabilitii navei dup reparaii importante ale motorului sau a altor echipamente aferente acestuia, folosind datele experimentale msurate la recepia lucrrilor respective de reparaii. 5. Modelul alctuit poate fi utilizat i n cadrul unor aplicaii tehnico tactice de organizare i desfurare a operaiunilor de intervenie aplicnd softul J.C.A.T.S., pornind de la datele tehnice experimentale obinute cu ocazia unor verificri periodice ale tehnicii navale.7. CONCLUZII 7.1 Concluzii finale 1. Rezistena la naintare a unei nave depinde de foarte muli factori. Cei mai importani sunt: valoarea forei de mpingere a motorului termic, suprafaa operei vii a corpului navei, capacitatea de balastare a echipamentului, unghiurile de band i asiet, gradul de agitaie al mrii etc. 2. Suflanta, care de regul este un compresor centrifugal sau axial, poate fi antrenat progresiv i printr-un cuplaj electromecanic pe baza parametrilor funcionali ai motorului nregistrai de ctre cutia neagr a acestuia. Are loc pe aceast cale o monitorizare strict a valorii presiunii de supraalimentare. 3. Optimizarea funcionrii motorului diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare nu se va face n parametri atunci cnd acesta este echipat cu turbin de presiune constant care, din construcie are o mrime a seciunii de trecere pentru gazele arse necorelat cu puterea motorului sau a suflantei. Rezolvarea o d turbina de presiune variabil, la care modificarea poziiei ajutajelor statorice este o funcie de cantitatea de gaze arse ce vine n contact cu paletajul turbinei, implicit funcie de sarcina motorului. Practic poziia optim a paletajului statoric este dat de diferena dintre presiunile aerului de la ieirea i intrarea suflantei. 4. Alimentarea forat cu aer a motoarelor diesel este superioar celei naturale, avantajele fiind urmtoarele: creterea puterii, cuplului i randamentului motorului pe fondul micorrii consumului specific de motorin.

35

5. Marile firme constructoare de motoare diesel, le echipeaz pe acestea cu sistemele de supraalimentare Hyperbar Tgv , Comprex .a., care dau cel mai ridicat randament ct i o mai bun economicitate pentru agregat n funcionarea sa la regimul tranzitoriu de accelerare. 6. Regimul tranzitoriu este de dorit s fie ct mai scurt, pentru ca energia cinetic a maselor n micarea de rototranslaie s fie ct mai mic. Pentru domeniul naval au fost enumerate situaiile cnd un M.A.C. este exploatat n regim tranzitoriu, acesta putnd fi mai scurt sau mai lung (dictat fiind de factorii externi corpului navei). 7. Variantele de optimizare a fazelor distribuiei la M.A.C. urile navale pot conduce la micorarea considerabil a emisiilor de noxe de pn la 4045 % (NOx, CO, CO2, SO2, HC etc.). 8. Pentru reducerea de noxe, separarea prin injecie direct a apei este considerat cea mai bun soluie deoarece aceast tehnic i-a dovedit capacitatea de a reduce nivelul NOx din gazele arse evacuate de ctre motor, cu pn la 60 %. 9. Reducerea particulelor n cazul funcionrii motorului diesel naval cu combustibil greu este nc o mare provocare. Tehnic exist soluii (precipitatori electrostatici umezi) dar implic ori un volum mare n compartimentul maini al navei ori un cost ridicat. Oricum, emisiile de particule sunt reduse de la 50 % la 90 % cnd se trece la combustibilii distilai i aditivai. 10. Creterea cantitii de ncrctur proaspt reinut n cilindrii motorului la sfritul admisiei, optimizarea pocesului de formare a amestecului carburant i mbuntirea arderii conduc la creterea presiunii i a cuplului motor (acesta crescnd), atunci cnd funcioneaz n regim tranzitoriu de accelerare, la micorarea consumului specific de combustibil i a emisiilor de noxe (propulsie mai ecologic), din gazele de evacuare. 11. Performane superioare la M.A.C. se pot obine prin creterea coeficientului de umplere i a cantitii de combustibil injectat pe ciclu. Primul parametru poate fi influenat prin supraalimentare iar cel de-al-II-lea, prin reglaje ale aparaturii de injecie. 12. Detonaia la accelerarea motorului este dat de zgomotul produs de viteza foarte ridicat de cretere a presiunii de la nceputul fazei a-II-a a arderii necontrolate care conduce la vibraia puternic a peretelui cilindrului. Principala cauz a acestei stri de lucruri este prelungirea perioadei de ntrziere la autoaprindere a amestecului carburant. Existena acestei perioade (care influenzeaz negativ durata accelerrii), se poate datora unei slabe pulverizri a jetului de combustibil, unei valori prea mari a avansului la injecie, unei valori sczute a cifrei cetanice sau unei presiuni sczute de ardere din cauza scaunelor de supap deteriorate i a segmenilor uzai, dac nu, unei foarte sczute valori pentru temperatura aerului la admisie. 13. Umplerea cu aer a cilindrilor la accelerarea motorului este totdeauna mai redus dect la regimuri staionare. Valoarea acestor reduceri ale umplerii depinde n principal de construcia traiectului de admisie ct i de echipamentul de supraalimentare. 14. nrutirea procesului de formare a amestecului la accelerare conduce totdeauna la srcirea acestuia. O cauz major a srcirii amestecului o constituie neconcordana caracteristicii injeciei cu ineria termic a motorului. 15. La un motor diesel naval supraalimentat, pentru fiecare dintre intervalele de modificare a regimului de turaie exist o vitez optim de deplasare a cremalierei pentru care se asigur cei mai buni indicatori de dinamicitate, economicitate i nepoluare. 16. Mrimile tehnice caracteristice ale turbosuflantei calculate cu ajutorul modelului aplicat sunt foarte apropiate de cele msurate pe standul de ncercare de la Uzina Hidromecanica din Braov dup reparaia capital a acesteia. 17. Performanele motorului diesel naval echipat cu turbosuflanta ncercat la Braov, nregistrate la punct fix, sunt de asemenea foarte apropiate de cele calculate cu ajutorul modelului alctuit, ceea ce valideaz modelul propus. 18. Aceste cercetri sunt utile pentru verificarea capabilitii navei dup reparaii importante ale motorului sau a altor echipamente aferente acestuia, folosind datele experimentale msurate la recepia lucrrilor respective de reparaii.

36

19. Modelul alctuit poate fi utilizat i n cadrul unor aplicaii tehnico tactice de organizare i desfurare a operaiunilor de intervenie aplicnd softul J.C.A.T.S., pornind de la datele tehnice experimentale obinute cu ocazia unor verificri periodice ale tehnicii navale. 7.2 Contribuii personale i deschideri ale tezei de doctorat 1. Studiul critic privind stadiul actual i tendinele n dezvoltarea tehnicii de optimizare a funcionrii M.A.C. navale la regim tranzitoriu de accelerare, evideniindu-se n acest sens rezultatele obinute la ncercrile navei la punct fix cu funcionarea motorului supraalimentat la diferite regimuri ct i modul de funcionare cu noile tehnologii cu care sunt echipate agregatele de propulsie la ora actual. 2. Studiu asupra regimului tranzitoriu de funcionare a motorului diesel, analizndu-se diverse forme de definire, posibilitile de determinare efectiv i de optimizare a exploatrii acestuia i consecinele asupra eoonomicitii, polurii sonore i chimice. 3. Evidenierea particularitilor funcionrii motorului diesel navalizat supraalimentat de tip Alco la regimul tranzitoriu de accelerare. 4. Studiul detaliat asupra echipamentelor de achiziie i prelucrare a datelor i a influenelor factorilor exteriori asupra preciziei i fidelitii determinrilor experimentale i a limitelor aparaturii actuale. 5. Stabilirea unei strategii adecvate de efectuare a modelrii - simulrii pentru funcionarea optim a motorului diesel naval supraalimentat la regimul tranzitoriu de accelerare, aplicnd analiza prin identificare a comportamentului dinamic i a unei metodologii noi de proiectare asistat de calculator CAD (Computer Aided Design). 6. Mrimile tehnice caracteristice ale turbosuflantei calculate cu ajutorul modelului aplicat sunt foarte apropiate de cele msurate pe standul de ncercare de la Uzina Hidromecanica din Braov dup reparaia capital a acesteia, iar performanele motorului diesel naval echipat cu turbosuflanta ncercat la Braov, nregistrate la punct fix, sunt de asemenea foarte apropiate de cele calculate cu ajutorul modelului alctuit, ceea ce valideaz modelul propus. 7. Stabilirea unor indici de apreciere a dinamicitii 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 obinute experimental i practic, cu ajutorul crora, prin modelare-simulare, poate fi efectuat verificarea funcionrii n parametrii optimi a agregatului motor diesel-turbosuflant. 9. Aceste cercetri sunt utile pentru verificarea capabilitii navei dup reparaii importante ale motorului sau a altor echipamente aferente acestuia, folosind datele experimentale msurate la recepia lucrrilor respective de reparaii, iar modelul alctuit poate fi utilizat i n cadrul unor aplicaii tehnico tactice de organizare i desfurare a operaiunilor navale de intervenie pe mare sau la fluviu aplicnd softul J.C.A.T.S., pornind de la datele tehnice experimentale obinute cu ocazia unor verificri periodice ale tehnicii navale. Apreciind c lucrarea i-a atins obiectivele propuse, totui nu poate fi exclus faptul c unele aspecte abordate pot fi supuse unor cercetri mai aprofundate care se pot constitui n direcii de cercetare imediat sau de perspectiv, iat cteva pe care le socotim interesante: 1. dezvoltarea programului de prelevare, achiziie i prelucrare a datelor astfel nct s pun n eviden cu mai mare fidelitate rezultatele cercetrilor experimentale, 2. perfecionarea modelului pentru motorul diesel prin modelarea i simularea mai aprofundat i a altor componente ale sistemului de propulsie sau energetic al navei, 3. Modelarea-simularea comportamentului de tranzit (regimurile tranzitorii), pentru complexul nav n ansamblu.

37

BIBLIOGRAFIE (SELECTIV) [1] Abitncei D., Bobescu Gh. - Motoare pentru automobile i tractoare, vol. II, Editura Tehnic Bucureti, 1980, [2] Alexandru Dragalina, Traian Florea, Neculai Iurea, Corneliu Costiniuc, Traian Vasile Florea Fuel injection system of the intelligent engine lucrare prezentat la Sesiunea naional cu participare internaional de comunicri tiinifice, Academia Forelor Aeriene Braov, mai 2007, [3] Alexandru Dragalina, Traian Florea, Neculai Iurea, Corneliu Costiniuc, Traian Vasile Florea, Modeling concepts of naval propulsion plants , lucrare prezentat la Sesiunea naional cu participare internaional de comunicri tiinifice, Academia Forelor 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 naional cu participare internaional de comunicri tiinifice, Academia Tehnic a Moldovei, Chiinu, 2010, [5] Alexandru Costic, Maini i instalaii navale de propulsie, Editura Tehnic, Bucureti, 1991, [7] Apostol Ionel - Stadiul actual al cercetrilor privind reducerea emisiilor poluante i consumului de combustibil la motoarele diesel, Referat de doctorat, Braov, 2006, [9] Apostolescu N. - Cercetarea experimental a mainilor termice, Editura Tehnic, Bucureti, 1979, [11] ATZ Autotechnology; 11-12 November - December 2008, volume 8, [12] Bobescu Gh., Radu Gh.-A., Chiru A. .a. - Motoare pentru automobile i tractoare, vol. 1, 2, 3, Editura Tehnic, Chiinu, 1996 2000, [13] Bobescu Gh., Radu Gh.-A., .a.-Tehnici speciale pentru reducerea consumului de combustibil i limitarea noxelor la autovehicule, Universitatea Transilvania, Braov, 1989, [16] Buzbuchi N., Sabu A. - Motoare diesel navale, Procese, Construcie, Exploatare, Editura Bren, Bucureti, 2001, [17] Buzbuchi N. - Dinamica sistemelor de propulsie naval, Tipografia Institutului de Marin Civil, Constana, 1998, [18] Buzbuchi N, Stan L. - Dynamic behavior of marine propulsion system under the operation factors influence, Analele Universitii Maritime, Constana, 2008, [19] Buzbuchi N, Stan L. - Construcia motoarelor navale i a sistemelor auxiliare ale acestora, Editura Nautica, Constana, 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. .a., Dubbell Manualul Inginerului Mecanic Fundamente, Editura Tehnica, Bucuresti, 1998, [22] Caietul de sarcini al standului de probe de la uzina Hidromecanica - 2, Braov, [23] Caietul de sarcini al standului de probe de la sediul U.C.M., Reia, [24] Cartea tehnic a motorului ALCO, U.C.M. Reia, 1982, [25] Cartea tehnic a turbosuflantei tip TS-131, Hidromecanica Braov, 1981, [29] Climnescu 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] Climnescu 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 Tehnic Bucureti, 2