Rezumat Doru Baldean

U.T.C.-N. Rezumat teză de doctorat pag. 1

FACULTATEA DE MECANICĂ

Ing. Băldean Doru-Laurean

TEZĂ DE DOCTORAT

STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND MODELAREA PROCESULUI DE

ARDERE ÎN MOTORUL CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE ÎN

CONDIŢIILE UTILIZĂRII BIODIESELULUI PENTRU ÎMBUNĂTĂŢIREA PERFORMANŢELOR MOTORULUI

Conducător ştiinţific:

Prof. dr. ing. Nicolae BURNETE


1. CIRCUMSCRIEREA ARIEI TEMATICE A TEZEI DE DOCTORAT Teza de doctorat realizează o cercetare sistematică a procesului arderii din motorul cu

aprindere prin comprimare, proces foarte complex şi cu influenţă considerabilă asupra performanţelor care definesc motorul modern.

2. STUDIUL CORELĂRII PERFORMANŢELOR MAC CU RESURSELE ENERGETICE

Până acum s-au derulat o serie de studii şi cercetări legate de potenţialul de utilizare

ecologică a combustibililor de origine vegetală, precum şi de posibilităţile de implementare a lor pe scară largă de către marea masă a utilizatorilor de motoare cu aprindere prin comprimare. În mare măsură s-a urmărit comportamentul şi eficienţa în utilizarea biocombustibililor la motoarele existente, de pe anumite autocamioane, autobuze şi utilaje agricole. S-au cercetat posibilităţile utilizării combustibililor obţinuţi din uleiuri vegetale de rapiţă, soia, floarea soarelui etc., precum şi utilizarea uleiurilor alimentare şi nealimentare uzate.

Cercetările experimentale recente efectuate prin utilizarea uleiurilor de soia, bumbac, arahide, cocos, susan, floarea-soarelui, in, rapiţă, palmier etc., au arătat că, la funcţionarea motoarelor cu asemenea uleiuri apar o serie de inconveniente. Printre dificultăţile evidenţiate, se pot menţiona: formarea unor depuneri consistente pe injectoare, uzura pieselor metalice, gelificarea uleiurilor în carter, prezenţa abundentă a fumului, consumuri de combustibil mai ridicate.

O serie de cercetări specifice în acest domeniu au urmărit efectele utilizării biodieselului obţinut din ulei ars asupra injecţiei, arderii şi performanţelor motorului, evidenţiind prin rezultatele obţinute că puterea şi momentul măsurate experimental sunt mai mici în condiţiile utilizării amestecurilor pe bază de biocombustibil. Întârzierea la autoaprindere şi timpul de propagare a undei de presiune influenţează semnificativ variaţiile presiunii din cilindru şi căldurii degajate. Aceleaşi studii au arătat şi că creşterea duratei de injecţie a condus la o presiune mai mică în timpul arderii.

Alte cercetări au evidenţiat studiul calităţii procesului de ardere prin spectrul emisiilor MAC, în condiţiile utilizării biodieselului, gazului lichefiat (obţinut printr-un proces Fischer-Tropsch la temperatură scăzută) şi a amestecurilor acestora comparativ cu motorina, încadrându-se în prescripţiile normelor de poluare Euro 4. S-a confirmat astfel că nivelul consumului de combustibil variază invers proporţional cu puterea calorifică inferioară a acestuia, precum şi faptul că opacitatea fumului şi emisiile de particule solide sunt mai mici în cazul utilizării combustibililor pe bază de biodiesel şi gaz lichefiat pentru alimentarea MAC, iar variaţia emisiilor de NOx este redusă.

Structura moleculară a biocombustibilului (în special a acizilor graşi ai monoalchil-esterilor) influenţează procesul de ardere în MAC, aspect evidenţiat de formarea NOx şi a particulelor solide, precum şi de concetraţia acestora în gazele de evacuare. Influenţa structurii moleculare asupra genezei NOx, se manifestă pe de o parte prin efectul asupra întârzierii la autoaprindere după


momentul în care a avut loc injecţia, iar pe de altă parte prin temperatura flăcării la care are loc arderea diferitelor molecule.

Studiile derulate în direcţia modelării procesului de ardere în MAC care utilizează combustibili de origine vegetală sunt mai puţine la număr, iar cunoştintele referitoare la acest aspect sunt destul de modeste în prezent. Acesta este şi motivul pentru care s-a ales tema de cercetare în cadrul programului de doctorat.

3. ANALIZA PROCESULUI DE ARDERE ÎN MAC Arderea este procesul cel mai complex ce are loc în motorul cu ardere internă. De ea depind,

cum se ştie deja, într-o măsură deosebit de mare indicii caracteristici ai motorului (energetici, de economicitate şi durabilitate).

Arderea oricărui combustibil folosit, sub influenţa a diferiţi factori, poate să fie completă sau incompletă.

La baza fenomenelor care au loc în timpul formării amestecului şi arderii se deosebesc patru perioade, care constau în: perioada întârzierii la autoaprindere ϕ1, perioada arderii rapide ϕ2, perioada arderii progresive ϕ3, postarderea sau arderea întârziată ϕ4.

Fig. 3. Schematizarea procesului de ardere în cazul unui MAC.


4. MODELAREA ARDERII BIODIESELULUI ÎN MAC Capitolul de faţă reprezintă un demers de analiză şi sinteză al problematicii modelării

procesului de ardere. Metodologia de modelare a procesului de ardere din interiorul motorului cu aprindere prin comprimare trebuie să ţină seama şi de aspectele prezentate în figura 4.1. Aşadar, e necesară parcurgerea unor etape specifice.

Prin modelarea procesului de ardere se urmăresc anumite aspecte specifice: presiunile şi temperaturile maxime, determinarea configuraţiei frontului de flacără; determinarea vitezelor şi acceleraţiilor frontului flăcării; determinarea comportamentului motorului în timpul arderii; determinarea nivelului emisiilor poluante etc.

Principalele avantaje pe care le oferă modelarea proceselor funcţionale ale unui motor cu aprindere prin comprimare sunt:

o definirea cu ajutorul unui aparat matematic riguros a parametrilor cheie care controlează fenomenul studiat, ceea ce duce la o utilizare eficientă şi raţională a costurilor implicate de testarea experimentală a modelului fizic;

o studierea pe cale analitică şi numerică a funcţionării motorului, în condiţiile variaţiei parametrilor constructivi şi funcţionali, având consecinţe imediate în ce priveşte îmbunătăţirea motorului încă din fazele primare ale proiectării;

o reducerea timpului de studiu, încercare, proiectare, concepţie, prototip etc. Modelele utilizate la ora actuală în cercetarea ştiinţifică a proceselor funcţionale ce definesc

motorul cu ardere internă, sunt clasificate în două mari categorii: termodinamice, gazodinamice.

5. CERCETĂRI EXPERIMENTALE ALE PROCESULUI DE ARDERE A BIODIESELULUI ÎN MAC

Pentru efectuarea tuturor măsurătorilor necesare în cadrul cercetării experimentale s-a realizat un stand specific care se compune dintr-o serie de elemente componente principale şi un ansamblu de elemente subsidiare, dar necesare, fiind format în principal din motorul cu aprindere prin comprimare (Fig. 5.1) şi o frână hidraulică, la care se leagă sistemele de măsurare şi achiziţie a datelor prezentate în continuare.

Fig. 5.1. MAC Lombardini 3LD 510 folosit în cadrul cercetării experimentale.

1-filtru de aer, 2-carcasa volantei, 3-generator de curent, 4-suport, 5- carter, 6-filtru de ulei, 7-eşapament, 8-injector.


În figura 5.2 este prezentat schematic standul de testare folosit în cadrul încercărilor experimentale.

Fig. 5.2. Schema standului experimental.

1-motor monocilindric, 2-frână hidraulică, 3-aparatură de măsură şi control, 4-aparatură de înregistrare (foto/video), 5-cântar electronic, 6-analizor de gaze, 7-scule de asamblare şi reglaj, 8-sistem de achiziţie a datelor, 9-dispozitiv de

ajustare a sarcinii motorului.

În continuare se prezintă câteva imagini cu dezvoltarea depozitelor carbonice evaluate la intervale de timp predefinite de câte zece ore în funcţionarea cu doi dintre combustibilii utilizaţi în cercetarea experimentală (motorină şi biodiesel).

Metodologia studiului derulat în vederea analizei depozitelor carbonice prevede un interval de timp (10 ore – la sarcini mici, şi 10 minute – la sarcini şi turaţii mari) pentru funcţionarea motorului cu un tip de combustibil, cu şi fără încărcare la arborele cotit al motorului, legat printr-un cuplaj la frâna hidraulică. Dintre multiplele încercări realizate în vederea determinării depozitelor carbonice formate pe suprafeţele pieselor s-au selectat câteva situaţii exemplare vizând piesele principale ale mecanismului motor (pistonul, cilindrul şi chiulasa) şi sistemului de alimentare (injectorul).

Pentru aprecierea cantităţii depozitelor carbonice formate pe piesele luate în studiu s-au folosit metode masice şi micrometrarea pe direcţiile sau după dimensiunile principale. Cele mai reduse cantităţi de depuneri carbonice ca efect al arderilor deficitare au fost înregistrate pentru situaţiile funcţionării motorului cu motorină comercială Euro 5. Aceasta din urmă este aditivată încă din faza de producţie, în timp ce biodieselul nu a fost aditivat în cazul situaţiilor prezentate în tabelul 5.1, în care se observă preponderenţa depunerilor de tip carbonic pe piese în cazurile funcţionării cu biodiesel, şi mai ales în regimuri funcţionale la sarcini mici sau nule folosind biodieselul drept combustibil. Una dintre soluţiile propuse şi implementate în încercarea de a diminua tendinţa formării depozitelor carbonice a fost aditivarea biodieselului, cu rezultate pozitive. Soluţia reprezintă o combinaţie de elemente pro-active ce oferă protecţie împotriva bacteriilor şi oxidării


combustibilului, elimină depunerile din injectoare şi camera de ardere, curăţă întreg sistemul de alimentare al MAC, atenuează procesul de formare a parafinei, neutralizează apa din condens şi previne coroziunea pieselor sistemului de injecţie, facilitând totodată o ardere optimă. Din punct de vedere chimic soluţia conţine: cherosen (din petrol), hidrodesulfurizant şi octilnitrat.

Tabelul 5.1

Din analiza depozitelor carbonice apărute pe piesele studiate s-a constatat că 52% din masa

totală a depunerilor a fost pe suprafaţa chiulasei în special în zona dintre supape şi în jurul injectorului, 46% au fost depuneri pe suprafaţa pistonului, 1,1% pe injector, şi 0,9% pe cilindru.

Datorită viscozităţii şi densităţii mai ridicate a biodieselului şi implicit şi a amestecurilor acestuia cu motorina, diametrul mediu al picăturilor precum şi masa acestora sunt mai mari în cazul jetului de biodiesel comparativ cu motorina, fapt care influenţează în mod favorabil formarea depozitelor carbonice. Hidrocarburile folosite drept combustibili au în compoziţie atât fracţii uşoare cât şi fracţii grele. Cele dintâi au o volatilitate mai mare, favorizând procesul de autoaprindere şi faza arderii rapide a amestecului carburant. Fracţiile grele dezvoltă viteze mai mari de deplasare în interiorul jetului de combustibil, ceea ce asigură o penetraţie mai bună a acestuia, însă o parte dintre particule ajung pe pereţii camerei de ardere, determinând o ardere difuzivă şi totodată formarea depunerilor.

Datorită unor fracţii uşoare şi prezenţei sensibil mai mari a oxigenului este favorizată dispersia rapidă cu unghi mare şi autoaprinderea accelerată a particulelor combustibile, formând frontul de flacără într-o zonă mai apropiată de orificiile pulverizatorului oxidând parţial fracţiile medii printr-o ardere difuzivă, fapt care conduce la formarea unor depozite considerabile în jurul pulverizatorului (mai mari în cazul biodieselului comparativ cu motorina).


Fracţiile grele din componenţa combustibilului utilizat (în special în cazul biodieselului) având mase mai mari, precum şi diametrul mai mare al picăturilor, nu se aprind în frontul de flacără generat de fracţiile uşoare fiind proiectat prin flacără în masa de aer şi pe pereţii camerei de ardere. Temperatura pereţilor fiind mai mică, chiar şi în condiţiile unei arderi susţinute aceasta are un caracter difuziv.

În urma cercetărilor experimentale şi a aplicării unui ciclu tranzitoriu de testare similar cu ETC s-au observat următoarele:

funcţionarea motorului cu biodiesel are atât avantaje cât şi dezavantaje, fiind în strânsă legătură cu natura şi calitatea combustibilului utilizat, cu regimul de funcţionare al motorului, cu timpul de funcţionare etc;

consumul orar şi cel specific efectiv scad în anumite cazuri, dar cresc pe de altă parte depunerile carbonice care pot influenţa semnificativ durata de viaţă şi buna funcţionare a sistemului de injecţie;

diminuarea depozitelor carbonice de pe piesele mecanismului motor din proximitatea camerei de ardere poate fi realizată cu ajutorul a cel puţin trei soluţii practice (mărirea avansului la injecţie cu 1÷5˚RAC, utilizarea de aditivi specifici, mărirea regimului termic prin creşterea turaţiei sau a sarcinii cu 20÷25%).

6. CONCLUZII

În urma studierii procesului de ardere în MAC se pot desprinde o serie de idei concluzive: compoziţia chimică a combustibilului (în special conţinutul de oxigen şi cifra de iod,

precum şi legăturile duble ce pot fi formate) influenţează – fie în sens pozitiv fie în sens negativ – comportamentul biodieselului ca şi combustibil în ce priveşte autoaprinderea la finele cursei de comprimare, prin valoarea cifrei cetanice, iar aceasta influenţează prin intermediul duratei de întârziere la autoaprindere variaţia presiunii, temperaturii şi a căldurii degajate, pe parcursul procesului de ardere în MAC;

utilizarea biodieselului în vederea alimentării motoarelor cu aprindere prin comprimare influenţează de asemenea semnificativ procesul de apariţie şi formare a depunerilor de tip carbonic – mărind cantitatea acestora şi influenţând în cele din urmă funcţionarea optimă a motorului;

depunerile carbonice apar datorită ineficienţei arderii fracţiilor grele din combustibil, care sunt caracterizate prin densitate mai mare, volatilitate scăzută şi tensiune superficială ridicată şi care nu participă în totalitate sau chiar deloc la procesul de oxidare pe durata scurtă a arderii în MAC;

dezvoltarea depozitelor carbonice şi de calamină pe piese conduce la degradarea pieselor şi la îndeplinirea necorespunzătoare a funcţionalităţii sistemului de injecţie;

obturarea chiar şi parţială a orificiilor pulverizatoarelor cauzează pornirea mai dificilă a motorului sau imposibilitatea pornirii acestuia;


calamina, lacurile şi particulele solide care ajung în dreptul orificiilor injectorului produc în timp obturarea totală a acestora şi scoaterea din funcţiune a injectorului respectiv, ceea ce va impune în cele din urmă înlocuirea pulverizatorului acestuia;

există însă şi o serie de soluţii ce pot fi adoptate pentru a diminua depunerile de tip carbonic,

diminuarea nivelului depunerilor pe elementele din proximitatea camerei de ardere se poate asigura prin următoarele modalităţi specifice:

o mărirea avansului la injecţie – astfel încât să se mărească timpul corespunzător arderii rapide şi perioada arderii progresive;

o creşterea regimului termic al motorului – prin mărirea turaţiei şi a sarcinii motorului;

o aditivarea cu substanţe speciale care facilitează sau accelerează procesul de ardere chiar şi pentru fracţiile mai grele de combustibil şi inhibă procesul de formare a depunerilor carbonice pe piesele mecanismului motor;

prin folosirea biodieselului în funcţionarea motorului cu aprindere prin comprimare se îmbunătăţeşte totuşi într-o oarecare măsură procesul de lubrifiere a pieselor componente, în special a pompei de injecţie, care este un subansamblu de înaltă precizie;

implementarea biodieselului ca şi biocombustibil alternativ combustibililor fosili clasici reprezintă de ceva vreme deja o realitate pentru majoritatea utilizatorilor actuali de autovehicule rutiere – însă în concentraţii de amestec de 5 sau 10 % cu motorină;

eforturile de cercetare şi dezvoltare în domeniul biocombustibililor lichizi trebuie să aibă drept obiectiv reducerea valorii viscozităţii şi a tensiunii superficiale a biodieselului în vederea îmbunătăţirii procesului de pulverizare, dispersie şi omogenizare în masa de aer, şi indirect a arderii, în vederea creşterii performanţelor;

modelarea procesului de ardere a combustibililor cu un conţinut variat de biodiesel este relevantă în contextul actual al implementării pe scară largă şi cu un procent tot mai ridicat a diverselor tipuri de biocombustibili în componenţa combustibililor fosili;

cercetarea de faţă tratează un domeniu amplu din sfera utilizării combustibililor de tip motorină în amestec cu biodiesel în vederea evidenţierii efectelor acestuia din urmă asupra unor mărimi de stare şi asupra performanţelor în funcţionare;

cunoaşterea precisă şi posibilitatea de predicţie a modului de manifestare, a tendinţelor de variaţie a unor parametri şi a performanţelor în condiţiile utilizării unor combustibili destinaţi MAC cu un conţinut tot mai ridicat de biodiesel are un impact semnificativ în condiţiile implementării în viitorul apropiat a acestor combustibili la staţiile de alimentare cu carburanţi în domeniul public.

Documents

Rezumat Doru Baldean