11. Reglarea proceselor termice din MAI

Transcript

1 din MAI I.1 Principiile de bază ale reglării proceselor termice 11. Reglarea proceselor termice din MAI 1.49 I.1 Principiile de bază ale reglării proceselor termice din MAI Performanțele unui sistem de reglare a funcțiilor (sau a familiilor de funcții) sunt în mod implicit legate de nivelul de informatizare și de automatizare introdus. Obiectivele general urmărite prin trasarea schemelor funcții lor de transfer sunt: creșterea eficienței tehnico-economice în funcționare creșterea siguranței în exploatare îmbunătățirea condițiilor de muncă ale utilizatorului. minimalizarea impactului în funcționare cu mediul ambiant Figura Asigurarea cadrului general interactiv al funcționării motoarelor cu ardere internă în contextul îndeplinirii globale a obiectivelor enunțate Dacă până acum vreo două-trei decenii, primele trei obiective erau primordiale în catalogarea eficienței produsului-motor, perioada strict contemporană supune atenției grija capitală a conservării mediului înconjurător, datorită semnalelor din ce în ce mai alarmante privind degradarea acestuia, ca urmare a activităților industriale, tot mai intens poluante, ale civilizației noastre. Figura prezintă cadrul general interactiv, din ce în ce mai complex, care trebuie asigurat în proiectarea, producerea, echiparea și exploatarea motoarelor cu ardere internă Tipuri de sisteme și de semnale utilizate Sistemele de automatizare se împart în două categorii principale: sisteme de control (de tip regulator, de control al parametrilor fluidelor de lucru, de control al parametrilor agregatului de supraalimentare, etc); sisteme de diagnoză (în ceea ce privește formarea amestecului carburant, analiza gazelor arse, regimul termic, regimul vibratoriu, etc). Clasificarea sistemelor automatizate de control ține seama și de existența sau inexistența reacției de răspuns a sistemului controlat (reacția de feedback ). în acest sens vor exista categoriile de sisteme de control în buclă închisă, respectiv buclă deschisă (vezi 1.1.3). 179

2 Reglarea proceselor termice din MAI Sistemele de control în buclă închisă (care ca utilizare tind să înlocuiască tot mai mult pe cele cu buclă deschisă), se mai pot clasifica în funcție de tipul acțiunii de comandă, și anume: cu acțiune continuă și cu acțiune discontinuă (sau discretă). La sistemele de control în buclă închisă cu acțiune continuă, acțiunea (comanda) este proporțională cu variația variabilei controlate, față de o poziție de echilibru, sau de medie. La tipul complementar de sisteme din punctul de vedere al tipului de acțiune, comanda este discretă, pe durate finite de timp t. (vezi Fig a, b). În ceea ce privește tipurile de semnale utilizate în reglarea proceselor termice, acestea trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: generare simplă și eficientă; aproximare bună pentru variația pe durate determinate a variabilei descrise; asigurarea unei viteze de transfer ridicate (constantă de timp redusă pentru întreg sistemul de control); asigurarea achiziției de date la viteze ridicate. Figura Clasificarea sistemelor de control în buclă închisă (a) cu acțiune continuă (b) cu acțiune discretă În Fig sunt prezentate cele mai utilizate tipuri de semnale (a - sinusoidal; b - dreptunghiular (treaptă); c - dinte de fierăstrău (rampă). Ele se pot compune într-o multitudine de moduri în funcție de tipurile aplicațiilor. Figura Tipuri de semnale elementare utilizate de sistemele de control analogice Figura Exemplu de prelucrare a semnalului analogic sinusoidal 180

3 din MAI I.1 Principiile de bază ale reglării proceselor termice Figura prezintă un exemplu de prelucrare a semnalului sinusoidal de tip analogic, produs de un sistem oscilator, asupra căruia se efectuează succesiv operațiile de modulare, amplificare, demodulare în fază și filtrare în scopul vizualizării sale pe ecranul osciloscopului, sau achiziționării valorice în fișiere de date [1] Sisteme de control în buclă deschisă și închisă Sistemele de control în buclă deschisă (open-loop) sunt sisteme care determină efectuarea unor acțiuni de către sistemele actuatoare, dar prezinta dezavantajul că nu primesc și informația de răspuns cu privire la efectele acțiunii respective. În cazul lor, se presupune că acțiunea este suficientă vis-a-vis de scopul propus, și nu mai sunt necesare comparații ale nivelului obținut de răspuns cu cel solicitat. Ca exemplu pentru funcționarea unui astfel de sistem, putem considera funcționarea unui radiator într-o încăpere, a cărei temperatură se dorește a fi atinsă în funcție de debitul de agent cald utilizat, și deci în funcție de secțiunea robinetului de trecere a radiatorului. în încăperea respectivă nu există nici un instrument de măsurare a temperaturii, și deci, dacă ar exista un alt element de încălzire independent de cel comandat din exterior, nu ar exista posibilitatea de comparare a temperaturii atinse în încăpere cu cea dorită inițial. Acest dezavantaj al primului tip de sisteme de control este înlăturat de cel de-al doilea tip de sisteme (closed-loop). Deci, prin reacția de feed-back (de răspuns) există posibilitatea comparației între efectul obținut prin comanda actuatorului și cel solicitat inițial. Figurile și înfățișează schema de funcționare pentru fiecare dintre cele două tipuri de sisteme de control. Figura Sistem de control în buclă deschisă În fig , notațiile au următoarea semnificație: i - semnalul de intrare care este comunicat controlerului (ECU) de către senzor (-i); c - semnalul de comandă al actuatorului, transmis de către controler. În fig , modificările sunt următoare: i este semnalul trimis de senzor unui comparator, care stabilește nivelul de corecție al semnalului trimis mai departe controlerului, în funcție de valoarea semnalului m primit de la un alt senzor conectat sistemului actuator. Controlerul va putea schimba valoarea semnalului de comandă în funcție de această corecție. Avantajul indiscutabil în această configurație este că există posibilitatea corecției permanente a semnalului dat de controler în funcție de valoarea de răspuns a semnalului returnat de sistemul comandat (actuator). Figura Sistem de control în buclă închisă Sistemele de control în buclă închisă pot fi gândite de o manieră și mai eficientă, dacă luăm în considerare posibilitatea ca nivelul de referință r (feed forward signal) față de care este emis semnalul de comandă să fie în continuă modificare. În acest sens se reprezintă schema din figura 1.1.9, schemă în care apare o modificare nivelului de referință pentru semnalul c emis de controler, ca urmare a derulării unui proces tipic nestaționar, care se dorește a fi monitorizat și 181

4 Reglarea proceselor termice din MAI controlat. Sistemul de control poartă în acest caz denumirea closed-loop feedforward control system. Figura Sistem de control în buclă închisă cu modificarea semnalului de referință Unul dintre cele mai cunoscute și mai utilizate sisteme de control în buclă închisă este sistemul de control al dozajului amestecului proaspăt introdus în cilindrul motorului în funcție de proporția de oxigen din gazele arse, determinat cu ajutorul sondei lambda. Figura prezintă schematic funcțiile acestui sistem de reglare și de control al excesului de aer al arderii din cilindru-motor; sonda lambda detectează și comunică modulului de comandă nivelul concentrației de oxigen din gazele arse, iar modulul de comandă controlează legea (timing-ul) de injecție a injectorului de benzină la motorul cu aprindere prin scânteie (MAS). Figura Sistem de reglare și control al excesului de aer pentru amestecul carburant, cu utilizarea sondei lambda Model de schema de comandă și control proceselor din mai. Fig. I.1.11 își propune să surprindă la nivel elementar schema sistemului de control și reglaj pentru injecția electronică de benzină (tip Bosch ME 7.1) [2]. În subsolul figurii este alcătuită lista reperelor utilizate. 182

5 I.2 Reglarea regimului funcțional al motorului Fig. I.1.ll Schema instalației de comandă și control de tip Bosch ME 7.1 a injecției electronice de benzină 1 - Debitmetru; 2 - Traductor turație motor; 3 - Traductor Hall; 4 - Sonde Lambda; 5 - Traductor poziție clapetă; 6 - Senzor temperatură aer; 7 - Senzor temperatură lichid de răcire; 8 - Senzori presiune admisie; 9 - Senzor detonație; 10 - Traductor poziție pedală de accelerație; 11 - Traductor temperatură gaze de ardere; 12 - Switch pedală frână; 13 - Switch pedală ambreiaj; 14 - Semnale auxiliare; 15 - Releul pompei de benzină; 16 - lnjectoare; 17 - Bujii + bobine; 18 - Solenoid control; 19 - Solenoid control presiune supraalimentare; 20 - Servomotor acționare clapetă; 21 - Mecanism pentru ajustarea poziției axului cu came; 22 - Electrovalvă control presiune admisie; 23 - Controlul încălzirii sondei lambda; 24 - Semnalizare defectare control electronic clapetă; 25 - Semnale auxiliare I.2 Reglarea regimului funcțional al motorului Dintre toate categoriile de sisteme de reglaj, cele care asigură prin funcția lor stabilitatea parametrilor funcționali ai motorului sunt prioritare. Din grupul parametrilor funcționali, cei a căror variație se impune a fi controlată, sunt sarcina și turația. Acest control se face simultan pentru ambii parametri, dispozitivele care au acest rol fiind numite regulatoare (de turație). Este prea bine cunoscut faptul că acțiunea utilizatorului în a varia regimul de sarcină a motorului se deosebește constructiv de la un tip de motor la altul. La MAS alimentate prin carburație, variația sarcinii se realizează prin poziționarea clapetei obturatoare a carburatorului. Echivalentul acestui control la MAS cu formarea amestecului carburant prin injecție constă în poziționarea unei clapete obturatoare situate pe traseul de admisie al aerului. 183

6 Reglarea proceselor termice din MAI La motorul diesel, variația sarcinii se realizează prin variația debitului de combustibil direcționat către injectoare de către pompa de injecție (prin variația cursei utile a pistonului plonjor al pompei, prin variația secțiunii de curgere a debitului de combustibil prin sertarul de laminare, etc.). Desigur, alături de parametrii turație și sarcină, în definirea condițiilor de exploatare a motorului se impune a fi menționată și încărcarea, care nu trebuie confundată (ceea ce mulți o fac) cu sarcina. Încărcarea se referă, de exemplu, la condițiile de rulare, sau de drum, pentru un motor de autovehicul (frecarea la nivelul roților, calitatea drumului, masa transportată, vânt, etc.) sau la capacitatea de încărcare a frânei cu care este echipat standul de încercări pentru un motor testat în condiții staționare (în funcție de tipul frânei - hidraulică, electrică, aerodinamică, etc.). Dacă admitem că variația sarcinii motorului este la dispoziția utilizatorului, turația depinde explicit și implicit de mărimea încărcării asupra motorului, iar controlul turației pentru anumite regimuri de funcționare nu poate fi realizat decât prin controlul sarcinii, câteodată acest control neputând fi asigurat de către utilizator: de aici, necesitatea echipării motorului cu dispozitivele numite regulatoare de turație. De-a lungul timpului, necesitățile au costat în limitarea turației maxime de funcționare a motorului (datorată și imperativului limitării emisiilor), cât și în asigurarea stabilității turației motorului la regimul de mers în gol. Ambele necesități s-au evidențiat în cazul motorului diesel, la care nivelul mare al forțelor de inerție a pieselor aflate în mișcare afectează rezistența mecanismului motor, iar gabaritul mărit al componentelor în mișcare ridică probleme de menținere a stabilității regimului de ralanti (mers în gol). La motorul cu aprindere prin scânteie, mărimea forțelor de inerție nu este atât de influentă asupra rezistenței pieselor mecanismului motor, totuși, necesitatea atingerii unor turații mari corespunzătoare puterilor și vitezelor mari de deplasare a automobilelor, ar putea genera și în acest caz oportunitatea introducerii unor dispozitive limitatoare de turație. în cele ce urmează se vor trece în revistă principalele dispozitive regulatoare de turație la motoarele diesel Principiul de funcționare a regulatorului de turație În ceea ce privește limitarea turației maxime de funcționare a motorului diesel, regulatorul de turație trebuie să funcționeze în următorul mod: la sesizarea unei variații a turației în contextul variației încărcării asupra motorului, sistemul de acțiune al regulatorului modifică în sens contrar valoarea sarcinii motorului (la creșterea turației, sarcina va fi micșorată, iar efectul va fi micșorarea turației, și invers). Figura Principiul de funcționare a regulatorului de turație În Fig se prezintă următoarea situație: punctul 1 de funcționare stabilă a motorului se găsește la intersecția caracteristicii de putere efectivă a motorului (AA1) cu cea de putere rezistentă (OB1), opusă de frâna care încarcă motorul montat pe standul de încercări. La un 184

7 I.2 Reglarea regimului funcțional al motorului moment dat, încărcarea frânei se diminuează, caracteristica de încărcare a acesteia devenind (OB2). În lipsa regulatorului de turație, încărcarea externă a motorului fiind mai redusă, motorul se accelerează, punctul stabil de funcționare deplasându-se în 1* (de turație n1*). Raționamentul continuă în același sens, până când încărcarea frânei s-ar reduce la 0, iar turația maximă atinsă de motor, adică turația maximă de mers în gol ar atinge o valoare foarte ridicată, datorită mai ales faptului că profilul curbei de putere efectivă a motorului AA1 este destul de plat. Prin montarea regulatorului de turație, la creșterea turației față de cea din punctul (1), acesta acționează asupra sarcinii, diminuând-o corespunzător funcționării motorului pe curba de putere efectivă AA1, punctul de funcționare stabilă a motorului mutându-se în (2), la o turație n2 mai apropiată de n1, față de situația în care nu ar acționa regulatorul, iar turația ar fi devenit n1*. Această modificare de sarcină este deseori insesizabilă utilizatorului, datorită construcției regulatorului de turație, prin faptul că se permite păstrarea poziției comenzii de sarcină pe care utilizatorul o setase înainte de modificarea încărcării externe a motorului. Exemplu: Șoferul unui camion acționează pedala accelerației în cazul urcării unei pante, pentru ca autovehiculul să urce cu viteză constantă. Odată ce camionul atinge vârful pantei, iar șoferul nu modifică poziția comenzii, datorită diminuării încărcării asupra motorului, acesta se turează, iar regulatorul de turație acționează în consecință micșorând nivelul de sarcină, efectul fiind cel contrar, de scădere a turației până la o valoare apropiată celei din timpul urcării; toate acestea în condițiile în care nu se slăbește pedala de accelerație comandată de șofer. Figura Caracteristica de regulator pentru limitarea turației maxime de mers în gol Caracteristica nouă, care se obține prin înșiruirea punctelor 1, 2, 3... reprezintă caracteristica de regulator a motorului, o caracteristică cvasi-liniară, de pantă abruptă, care la intersecția cu abscisa furnizează valoarea turației maxime de mers în gol a motorului. Caracteristica respectivă poate fi explicată și în sens invers, de la putere 0 la putere maximă. Dacă inițial motorul este turat în gol până la o anumită valoare, apoi el este încărcat prin intermediul frânei din aproape în aproape, regulatorul de turație va mări în același ritm sarcina, pentru a compensa pierderea de turație, până în punctul în care se atinge limita de sarcină maximă a motorului (pe caracteristica externă de putere χ = 100 %), și nu mai există rezervă de putere. O eventuală creștere a încărcării peste această limită determină o scădere de turație pronunțată, concomitent cu scăderea puterii efective a motorului. Toate aceste aspecte sunt evidențiate de Fig Deci, în cazul funcționării regulatorului având ca scop limitarea turației maxime de funcționare în gol a motorului, valoarea turației de intrare în domeniul de funcționare a regulatorului (zona II) este aleasă turația de putere maximă (turația de putere nominală, corespunzătoare puterii maxime obținute la sarcină maximă (plină) a motorului. 185

8 Reglarea proceselor termice din MAI Tipuri de regulatoare de turație Figura Schema generală de funcționare a regulatorului de turație În Fig este înfățișată schema principială de funcționare a regulatorului de turație, în cazul utilizării unei pompe de injecție clasice, cu antrenare mecanică. La creșterea turației de funcționare a motorului, sistemul regulator acționează asupra cremalierei pompei de injecție, care va diminua debitul de combustibil trimis către injectoare, rezultatul fiind scăderea puterii efective a motorului și scăderea turației. Lanțul de comenzi și efectul obținut sunt exact inverse, în cazul în care încărcarea motorului crește, iar scăderea turației este sesizată de către sistemul regulator. Tipurile de regulatoare utilizate în echiparea motorului diesel se diferențiază în funcție de natura mărimii fizice prin care este sesizată variația turației la modificarea de încărcare a motorului, precum și prin tipul de comandă a acțiunii de modificare a sarcinii. Dacă mărimea turației este apreciată prin efectul mecanic centrifugal, regulatorul de turație va fi mecanic centrifugal; dacă modificarea turației este percepută prin modificarea presiunii de lucru (de exemplu a aerului din admisia motorului), regulatorul va fi de tip pneumatic; dacă modificarea valorii turației se exprimă prin variația câmpului de temperatură, regulatorul va fi de tip termic, etc. Din punctul de vedere al răspândirii utilizării regulatoarelor de turație, acestea se împart în regulatoare: mecanice pneumatice hidraulice electronice Cerințele pe care trebuie să le îndeplinească un sistem regulator de turație sunt: rapiditate (viteză de acțiune ridicată, constantă de timp scăzută) compactitate (masă și dimensiuni reduse) precizie (bună corelare între variația semnalului de intrare (turația) și variația sarcinii (a debitului de combustibil injectat) să fie ieftine (să fie ușor de implementat în cadrul unei producții de serie mare) să poată fi demontate și ușor de înlocuit. Cea mai îndelungată tradiție și experiență în utilizare o au regulatoarele mecanice centrifugale. După decenii de utilizare, ele sunt însă înlocuite de sisteme electronice automatizate, ca module existente pe placa de bază a modulului principal de comandă a motorului (ECU). în subcapitolele imediat următoare se face o prezentare a funcționării celor mai utilizate tipuri de regulatoare de turație. 186

9 I Regulatoare mecanice centrifugale. I.2 Reglarea regimului funcțional al motorului Regulatoarele mecanice centrifugale se împart în următoarele tipuri [3] [4]: regulatoare pentru un singur regim de turație; două regimuri de turație; toate regimurile de turație; Elementul sensibil al acestor dispozitive mecanice se face de obicei în interiorul corpului pompei de injecție, pentru a scurta calea de comandă supra regimului de sarcină a motorului, ceea ce la motorul diesel se traduce prin debitul de combustibil refulat de pompa de injecție către injectoare. Regulatoarele mecanice centrifugale pentru un singur regim de turație sunt utilizate cu precădere de către motoarele diesel staționare, deservind grupuri electrogene, instalații energetice și industriale, etc. Folosirea lor se justifică prin necesitatea limitării turației maxime de funcționare. Turația de intrare în domeniul de funcționare a regulatorului va fi chiar turația de putere nominală, corespunzătoare regimului de sarcină maximă. Caracteristica de regulator pentru un asemenea motor coincide cu cea reprezentată în Fig.I.2.4. Figura 2.1 Figura Schema cinematică a regulatorului mecanic centrifugal pentru un regim de turație Legendă: 1 - axul pompei de injecție; 2 - cadru rotitor rigid; 3 - contragreutăți; 4 - rulment radial-axial; 5 - taler mobil; 6 - arc; 7- taler fix; 8 - culisă; 9 - cremalieră Funcționarea acestui tip de regulator este următoarea: axul pompei de injecție (1), care este antrenată de arborele cotit al motorului, are montat cadrul rotitor rigid (2), ce poate translatat sub acțiunea forțelor centrifugale care acționează asupra contragreutăților (3). Rulmentul radial-axial leagă mișcarea de rotație â cadrului și a contragreutăților de mișcarea de translație a lanțului de bare articulate. În momentul în care turația depășește turația de putere nominală, forța centrifugală acționează asupra contragreutăților, deplasând întregul sistem rotitor în sensul comprimării arcului (6) și determinând tija cremalierei (9), prin intermediul culisei (8) să se deplaseze la rândul ei în direcția (-), adică în sensul descreșterii sarcinii, adică dozei de combustibil injectate, efectul final fiind scăderea turației. Altfel, când se dorește accelerarea în timpului regimului obișnuit de utilizare (din repaus, sau de la o turație inferioară la una superioară), cremaliera este deplasată în sensul creșterii sarcinii, arcul fiind tensionat prin întindere până în noua poziție de echilibru cinematic. Regulatoarele mecanice centrifugale pentru două regimuri de turație sunt utilizate la motoarele diesel de automobil și la cele de tracțiune semirapide. Rolul lor este acela de a limita turația maximă de funcționare, cât și de a asigura funcționarea stabilă a motorului la regimul de ralanti. Schema cinematică echivalentă de funcționare a dispozitivului regulator este înfățișată în Fig , iar caracteristica de regulator a motorului este indicată în Fig

10 Reglarea proceselor termice din MAI Figura 2.2 Figura Schema cinematică a regulatorului mecanic centrifugal pentru două regimuri de turație Figura 2.3 Figura Caracteristica de regulator a motorului cu regulator mecanic pentru două regimuri de turație Legendă: 1 - contragreutăți; 2 - axul pompei de injecție; 3 - taler mobil; 4 - limitator cursă arc exterior (mobil); 5 - arc exterior; 6 - arc interior; 7 - limitator cursă arc interior (fix); 8 - cremalieră; 9 - limitator deschidere maximă cremalieră; 10 - cadru rotitor rigid; 11 - rulment radial-axial; 12 - comandă accelerație; 13 - limitator deschidere minimă cremalieră. Funcționarea acestui tip de regulator se discută în paralel cu trasarea caracteristicii de regulator. în Fig se disting trei zone de funcționare (I, III - zone de funcționare a regulatorului, cu modificarea regimului de sarcină, și II - zona de evoluție în regim de sarcină constantă). Deplasarea sistemului format din cadru rigid și contragreutăți se face în etapa I, prin comprimarea arcului exterior pe lungimea he, datorită creșterii forței centrifuge pe intervalul de turații [n1, n2]. Arcul exterior, având o rigiditate mai redusă, acționează la atingerea unor forțe centrifuge reduse, deci la turații joase. Domeniul I va fi domeniul de reglaj al turației în jurul valorii de mers în gol. Pe intervalul de turații [n2, np] regulatorul nu funcționează; numai după atingerea unei forțe centrifugale corespunzătoare turației de putere maximă, np, începe comprimarea arcului interior, de rigiditate ridicată, care are loc pe lungimea hi, corespunzătoare domeniului de funcționare III. Acesta este domeniul de reglaj în zona turațiilor ridicate, practic regulatorul îndeplinind același rol ca și cel pentru un singur regim de turație, cel reprezentat în Fig Regulatorul mecanic centrifugal pentru toate regimurile de turație este utilizat de motoarele Diesel de tracțiune lente, la care turația variază pe un domeniu total de variație suficient de îngust. Schema cinematică de funcționare a unui astfel de tip de regulator este reprezentată în figura 1.2.7, iar caracteristica motorului diesel echipat cu un astfel de regulator este descrisă de figura

11 I.2 Reglarea regimului funcțional al motorului Figura 2.4 Figura Schema funcțională a regulatorului mecanic centrifugal pentru toate regimurile de turație Legendă: 1 - axul pompei de injecție; 2 - cadru rotitor rigid; 3 - contragreutăți; 4 - rulment radial-axial; 5, 7 - talere mobil; 6 - arc; 8 - culisă; 9 - cremalieră; 10 - limitator deschidere minimă cremalieră; 11 - limitator deschidere maximă cremalieră; 12 - comandă accelerație; Figura Caracteristica de regulator pentru motorul Diesel echipat cu regulator pentru toate regimurile de turație Diferența dintre schema cinematică mai sus figurată și cea corespunzătoare funcționării regulatorului mecanic centrifugal pentru un singur regim de turație este aceea că ambele talere ale arcului (6) sunt mobile, permițându-se stabilirea unei tensiuni variabile în acesta datorită deplasării cremalierei comandate de către utilizator. Această tensiune variabilă are întotdeauna un echivalent numeric reprezentat de forțele de inerție centrifugale ale contragreutăților, realizându-se o deplasare a cremalierei în sensul modificării sarcinii din orice punct de funcționare de pe caracteristica externă a motorului. Acest aspect prezintă avantajul că din orice punct de turație de mers în gol de la care motorul începe să fie încărcat, regulatorul compensează această creștere a încărcării prin mărirea sarcinii, adică a debitului de combustibil injectat. În ansamblu, regulatoarele mecanice centrifugale de turație sunt fiabile, compacte și ușor de utilizat la motoarele diesel; ele și-au probat eficiența de-a lungul unei durate însemnate de funcționare, însă nevoia de automatizare și de control informatizat la nivelul global al motorului a însemnat și abandonarea utilizării acestora I Regulatoare de turație pneumatice. Această categorie de dispozitive își bazează acțiunea pe variația presiunii aerului aflat în curgere în interiorul sistemului de admisie a motorului. Schema lor de funcționare este prezentata în fig următoare Figura 2.5 Figura Schema funcțională a regulatorului pneumatic Legendă: 1 - difuzor; 2 - clapetă obturatoare; 3 - limitator cursă maximă cremalieră; 4 - cremalieră; 5 - limitator cursă minimă cremalieră; 6 - membrană elastică; 7 - capsulă vacuumatică; 8 - arc; 9 - comandă accelerație; La acest tip de construcție, acțiunea de accelerare imprimată de către utilizator este tot de natură mecanică, creșterea debitului de combustibil asigurat de deplasarea cremalierei în sensul (+) fiind proporțională cu creșterea secțiunii de curgere a aerului prin difuzorul (1), controlată de clapeta obturatoare (2); însă, modul de reglaj al sarcinii în funcție de variația încărcării la un moment dat, în sensul asigurării stabilității de funcționare a motorului la o turație suficient de apropiată de cea inițială, se realizează cu ajutorul capsulei vacuumatice (7), care primește semnalul de depresiune pd (pd < p0) din interiorul secțiunii critice a difuzorului (1), montat pe traseul de admisie a aerului; astfel, la creșterea turației, variația de presiune p = (p0 - pd) crește, și determină deplasarea cremalierei pompei de injecție în sensul scăderii dozei de combustibil injectate, efectul fiind scăderea turației de lucru. Dezavantajele principale ale acestui tip de 189

12 Reglarea proceselor termice din MAI regulator sunt inerția mare în efectuarea comenzii de reglaj, și imposibilitatea utilizării lor la motoare cu depresiuni mari în admisie I Regulatoare de turație hidraulice. Regulatoarele de turație hidraulice se utilizează la motoarele diesel lente, motoarele diesel feroviare sau la cele staționare deservind consumatori gabaritici. Mărimea prin care se comandă deplasarea cremalierei pompei de injecție la schimbarea încărcării exercitate asupra motorului este presiunea uleiului. În Fig. I.2.10 este înfățișată schema funcțională a acestui tip de regulator. Figura 2.6 Figura Schema funcțională a regulatorului de turație hidraulic Legendă: 1 - cadru rotitor rigid; 2 - contragreutăți; 3 - rulment radial-axial; 4 - pistonul cilindrului servomotor; 5 - supape automate; 6 - pistonul cilindrului-sertar de comandă a cremalierei; 7 - limitator deschidere minimă a cremalierei; 8 - cremalieră; 9 - limitator deschidere maximă a cremalierei; 10 - arc; 11 - comandă accelerație Ansamblul regulatorului de turație hidraulic se compune dintr-o parte de comandă (ax pompă de injecție, contragreutăți, cadru, tije de legătură) și o parte de amplificare a deplasării cremalierei (servomotorul cu pistonul (4) și sertarul cu piston (6), împreună cu tija care deplasează direct cremaliera). Atunci când turația crește datorită scăderii încărcării externe a motorului, tija aflată în legătură cu axul contragreutăților deplasează pistonul servomotorului în sensul creării se suprapresiune asupra orificiului O2, a cărui supapă automată se deschide, și lasă uleiul sub presiune să acționeze asupra pistonului sertarului de comandă a cremalierei, trăgând la rându-i pe aceasta în sensul diminuării sarcinii și a debitului de combustibil injectat. Invers, când turația scade, contragreutățile se deplasează în sens opus, se creează suprapresiune asupra orificiului O1, a cărui supapă va permite trecerea uleiului și exercitarea unei suprapresiuni pe fața opusă a pistonului sertarului de comandă a cremalierei, determinând în final deplasarea acesteia în sensul creșterii sarcinii, adică a dozei de combustibil injectat. Sistemul de comandă este un sistem lent, dar performant datorită proprietăților transmisiei hidraulice; deci el nu poate fi utilizat la motoarele rapide, la care viteza de răspuns se cere a fi ridicată I Regulatoare de turație electronice Acest model revoluționar de regulator de turație deservește o gamă amplă de motoare diesel, cu puteri ajungând până la 4000 kw. Regulatorul se comportă ca un modul ECU separat, având de îndeplinit simultan următoarele funcții: reglarea și limitarea debitului de combustibil care urmează a fi injectat; controlul turației de mers în gol; controlul regimului termic al motorului; controlul parametrilor de stare ai celorlalți agenți de lucru (ulei, gaze arse, etc); controlul sarcinii pentru consumatorul antrenat (generator electric, pompă, compresor, etc); avertizarea în cazul funcționării în afara parametrilor a instalațiilor auxiliare ale motorului. 190

13 pornirii la rece și în perioada de încălzire Schema sa bloc simplificată se regăsește în figura I.3 Reglarea proceselor termice din motoare în cazul Figura 2.7 Figura Schema bloc a Regulatorului de turație electronic Dintre toate modelele de regulatoare de turație descrise anterior, acesta este cel mai performant, cel mai economic și cu dimensiunile cele mai mici. Inclusiv problemele legate de fiabilitatea sa au fost în timp rezolvate. Rămâne doar o chestiune de timp și de costuri până în momentul generalizării exploatării lor I.3 Reglarea proceselor termice din motoare în cazul pornirii la rece și în perioada de încălzire Pornirea la rece și încălzirea reprezintă componentele unuia dintre regimurile cu cele mai profunde implicații asupra structurii și funcționării în ansamblu a motorului. Definit ca un regim tranzitoriu, încălzirea durează din momentul pornirii până în momentul de stabilizare a regimului termic al agenților de lucru (ca referință principală se consideră temperatura lichidului de răcire, iar momentul în care această perioadă se consideră încheiată este cel al atingerii valorii temperaturii de deschidere a termostatului). Din punctul de vedere al exploatării autovehiculelor, acest regim, cu toate că se suprapune pe distanțe scurte în comparație cu distanțele la care motorul funcționează la cald, are o pondere majoră în durata totală de funcționare a unui lot sau a unei mulțimi statistice de autovehicule, deoarece tocmai cursele scurte, cu pornire la rece, sunt cele mai frecvent efectuate de către utilizatori. Statistica prezentată în figura arată că, deși distanța totală a curselor cu lungimea mai mică de 10 km reprezintă doar 16 % din lungimea totală a tuturor curselor cumulate, ponderea lor este de 61 % din totalul curselor efectuate, iar consumul de combustibil aferent acestor curse este de 31 % din totalul combustibilului utilizat [5]. Figura 2.8 Figura Ponderea numărului de curse în funcție de lungimea lor 191

14 Reglarea proceselor termice din MAI În subcapitolele următoare vor fi studiate cele mai influente aspecte ale acestui regim de funcționare asupra funcționalității, nivelului de emisii poluante și economicității motorului Aspecte funcționale caracteristice Există multiple influențe pe care regimul în discuție le exercită la nivel funcțional și structural asupra motorului. Vor fi luate în discuție trei laturi definitorii pentru aceste influențe, și anume: transferul de căldură, consumul de combustibil, nivelul emisiilor poluante și uzura I Transferul de căldură Regimul în studiu este un regim tipic nestaționar, fapt care complică orice studiu obișnuit de regim. Transferul de căldură va trebui deci să țină seama de variația în timp a fluxurilor de căldură transferate. Schema transferului de căldură generalizat la nivelul motorului, prezentată în Fig. I.3.2 ne oferă posibilitatea descrierii modelului de ecuații ale acestui transfer, ceea ce, constituind o aprofundare a temei, nu oferă un interes imediat cititorului, care înțelegem că ar dori mai degrabă evidențierea rezultatelor, și anume prezentarea variației în timp a temperaturii sistemelor care iau parte la acest transfer de căldură generalizat [6]. Figura 2.9 Figura Schema transferului de căldură generalizat la nivelul motorului Legendă: T - termostat lichid răcire; PA - pompă agent răcire; PU - pompă ulei; Q ev - căldura evacuată în exterior; Q ch - căldura transferată prin conducție chiulasei; Q exh - căldura gazelor arse; Q sd - căldura transferată sistemului de distribuție; Q fr - căldura generată prin frecarea pieselor în mișcare; Q cil - căldura transferată prin conducție cilindrului; Q segm - căldura transferată prin conducție segmenților; Q p - căldura transferată prin convecție pistonului; Q ulei - căldura transferată uleiului de ungere. Avându-se în vedere că pentru fiecare componentă (i) mai-sus descrisă se poate scrie o ecuație de bilanț termic, care are forma: (1.3.1) în care fluxul de căldură cu indicele p este fluxul de căldură primit, iar cel cu indicele c este cel cedat, q este căldura specifică a materialului componentei i, variația în timp a temperaturii Ti poate fi determinată pe cale numerică, iar asemenea grafice se obțin în mod similar cu cele prezentate în figurile de mai jos (Fig. I.3.3 a și b) [6]. 192

15 pornirii la rece și în perioada de încălzire I.3 Reglarea proceselor termice din motoare în cazul Figura 2.10 Figura (a) Variația temperaturii din momentul pornirii Variația temperaturii din momentul pornirii De asemenea, în figura se prezintă variația fluxurilor de căldură determinate prin simulare numerică, din momentul pornirii la rece și până la atingerea temperaturilor de funcționare în regim termic stabilizat. Figura 2.11 Figura Variația în timp a fluxurilor de căldură de la nivelul pistonului, din momentul pornirii la rece I Consumul de combustibil Regimul de pornire la rece și de încălzire este unul dintre regimurile la care motorul consumă combustibil în exces; aceasta datorită regimului termic coborât care nu favorizează formarea amestecului carburant și arderea acestuia în condiții eficiente. Temperaturile scăzute sunt în primul rând responsabile pentru vaporizarea insuficientă a combustibilului în aerul de amestec, soluția pentru obținerea unui amestec carburant între limitele de inflamabilitate fiind introducerea suplimentară de combustibil, din care doar fracțiunile ușor volatile se pot vaporiza. Din punctul de vedere al ușurinței de vaporizare, putem studia curba de distilare a unui combustibil oarecare, acesta fiind un amestec de fracțiuni ușoare și grele, cu tendințe de vaporizare diferite. În Fig se reprezintă procentul vaporizat din masa diverselor fracțiuni de combustibil (la rândul lor ca procente din masa totală a combustibilului) în funcție de temperatura de vaporizare [7]. Acest grafic ne induce importanța deosebită a parametrilor de stare în care se găsește combustibilul și aerul în momentul pornirii la rece, și imediat pe urmă, în perioada de încălzire, (masa totală a unei fracțiuni m fr se regăsește prin suma dintre masa vaporizată - m fr vap și cea nevaporizată - m fr nevap). Din această cauză, o temperatură de pornire extrem de coborâtă poate cauza nu numai o funcționare defectuoasă a motorului din lipsă de eficiență a formării amestecului, dar se poate vorbi chiar și de imposibilitatea pornirii, în situația în care nu se iau măsuri auxiliare de favorizare a pornirii. 193

16 Reglarea proceselor termice din MAI Figura 2.12 Figura Curba de distilare (vaporizare) a combustibilului în funcție de temperatură Figura 2.13 Figura Variația în timp, de la pornirea la rece, a masei nevaporizate de combustibil, în paralel cu cea a temperaturii lichidului de răcire Fig înfățișează modul în care, în timp, în perioada de încălzire, diferența dintre debitul total de combustibil introdus în admisia motorului și debitul vaporizat se micșorează, odată cu creșterea regimului termic, reliefat de temperatura lichidului de răcire I Nivelul emisiilor poluante Consumul excesiv de combustibil din perioada de pornire la rece și de încălzire a motorului este în strânsă legătură și cu nivelul ridicat al principalelor emisii de funcționare la rece a motorului, și anume emisiile de HmCn (hidrocarburi nearse) și CO. La motorul diesel, prezente în evacuare la acest regim tranzitoriu sunt și emisiile de particule. Generarea lor se datorează în primul rând nivelului termic scăzut în care are loc arderea elementelor combustibile; pereții reci ai camerei de ardere favorizează stingerea flăcării la contactul cu acestea, rămânând o cantitate semnificativă de amestec combustibil nears, care va trece în evacuare. În fig este prezentată variația în timp din momentul pornirii la rece a concentrațiilor acestor tipuri de emisii, alături de variația temperaturii gazelor și cea a lichidului de răcire (ca referință pentru durata totală a procesului de încălzire) [6] [7]. Figura 2.14 Figura Variația în timp, din momentul pornirii la rece, a concentrațiilor de HmC, CO precum și a temperaturilor gazelor și a lichidului de răcire Nivelul concentrațiilor de hidrocarburi și a dioxidului de carbon scade rapid odată cu creșterea nivelului termic. Creșterea nivelului de temperatură în timpul funcționării la cald ca urmare a funcționării motorului la sarcini din ce în ce mai mari, va conduce la mărirea concentrațiilor de oxizi de azot (NOx), astfel că definirea în ansamblu a unui regim la care suma tuturor concentrațiilor de emisii poluante să fie minimă, este un obiectiv dificil de realizat. 194

17 pornirii la rece și în perioada de încălzire I.3 Reglarea proceselor termice din motoare în cazul Cercetările au pus în evidență cauza principală a emisiilor ridicate de combustibil nears, și anume acumularea în zonele înguste și îndepărtate de centrul camerei de ardere a pungilor de amestec combustibil, la care flacăra nu mai ajunge, stingându-se la contact cu pereții aflați la temperaturi scăzute [6] [7] [8]. în fig.i.3.8 se prezintă schematic aceste zone de concentrare a amestecului combustibil nears, iar în fig. I.3.9 este trasată variația în timp, începând cu momentul pornirii, a volumelor de acumulare a amestecului aer- combustibil nears, micșorarea acestora pe parcursul creșterii temperaturii datorându-se dilatării semnificative a materialului pistonului confecționat din aliaj de aluminiu. Figura Volumul ocupat de amestecul aer-combustibil nears, aflat între piston, cilindru și segmenți V 1 = volumul dintre capul / corpul pistonului si cilindru; V 2 = volumul închis de primul segment in canalul din piston; V 3 = volumul închis între segmenții 1 și 2, cilindru si piston; V 4 = volumul închis de cel de-al doilea segment în canalul din piston; Figura 2.15 Fig.I.3.9 Variația în timp, din momentul pornirii, a volumului ocupat de amestecul aer-combustibil nears I Uzura echipamentelor motorului În completarea celorlalte aspecte funcționale care caracterizează regimul de pornire la rece și de încălzire, uzura este de asemenea o caracteristică ce trebuie considerată. Multe studii au demonstrat faptul că uzura este cu mult mai ridicată la funcționarea în acest regim, comparativ chiar cu regimul de funcționare la sarcină plină. Aceste considerații sunt întărite de faptul că primele cicluri de funcționare ale motorului, imediat după pornirea la rece sunt cicluri cu frecare uscată între piesele aflate în mișcare, datorită imposibilității amorsării instantanee a curgerii sub presiune a uleiului, cu proprietățile sale lubrifiante. S-a demonstrat de asemenea că și filmul de ulei preia o parte din solicitările mecanice din sistem, iar la început, în lipsa acestuia, solicitările sunt mai ridicate. De asemenea, până la încălzirea sa, uleiul nu prezintă caracteristici lubrifiante bune, datorită variației viscozității cu temperatura. Un studiu relevă în mod cu totul particular mărimea uzurii datorate pornirii la rece [9]. Pentru un motor testat atât pe bancul de încercări, cât și pe autovehicul, s-a măsurat, după efectuarea testelor, conținutul de pilitură de fier desprinsă din materialul de bază și transportată de ulei, depusă de acesta pe fundul băii de ulei. Rezultatele sunt pe impresionante, probând faptul că uzura echipamentului mobil al motorului produsă în urma unei porniri la rece echivalează cu aceea produsă de funcționarea în sarcină, la viteză de croazieră a autovehiculului, pe distanță de aproape 200 km. Această echivalență a fost discutată în funcție de temperatura la care s-a produs la rece pornirea motorului, uzura la acest regim fiind cu atât mai mare cu cât temperatura de pornire a fost mai redusă (vezi tab. I.3.1). Pentru motoarele de autovehicule, se mai pune problema vitezei cu care se accelerează fenomenul uzurii du/dx, în condițiile încălzirii motorului în gol, sau în deplasare (în sarcină). S-a constatat în urma unor alte teste [9] [10] că, o încălzire de durată mai redusă, corespunzătoare funcționării în sarcină, este ca efect cumulat în timp al uzurii 195

18 Reglarea proceselor termice din MAI (u) de preferat situației opuse, cu toate că există un vârf al vitezei de uzură, pe o durată foarte scurtă, chiar la începutul perioadei de încălzire (vezi figura ) Temperatura de pornire Tabelul Uzura în funcție de temperatura de pornire Uzura măsurată după o pornire Uzura măsurată după 1 oră de funcționare pe banc în sarcină Durata de fcț-re echiv. ca uzură cu cea datorată unei porniri Parcursul echiv. al acestei durate pt. w = 50 km/h [grd. C] [g Fe] [g Fe] [h] [km] 0 0,043 0,021 2, ,065 0,021 3, ,083 0,021 3,