Analiza Procesului de Ardere la MAS si MAC

ANALIZA PROCESULUI DE ARDERE LA

MAS I MAC

Viteza de ardere a amestecurilor de combustibil i aer n motoare.Procesul de transformare a energiei chimice a combustibilului n energie calorica prin reacii de oxidare, respectiv prin ardere, nu se produce instantaneu cum s-a presupus la analiza ciclurilor ideale, ci n timp finit, respectiv printr-o naintare treptata a frontului de ardere n masa de amestec de combustibil i aer.

Propagarea frontului flcrii n procesul arderii, adic deplasarea zonei de reacie, se poate face cu diferite viteze n funcie de influena ce 0 manifest factorii chimici i fizici ce nsoesc arderea.

Viteza de propagare a flcrii mpreun cu viteza reaciilor de oxidare a moleculelor de combustibil determin durata arderii masei de amestec aflat n camera de ardere.Durata total a arderii ntregii cantiti de amestec se compune din urmtoarele elemente:

timpul necesar pentru producerea primelor reacii de ardere ('apariia flcrii);

timpul necesar pentru propagarea zonei de reacie n ntregul volum al camerei de ardere;

timpul necesar pentru desvrirea reaciilor de ardere care se produc n volumul de gaze deja strbtut de flacr (n pungile de gaze ncercuite de frontul flcrii).

Durata primei i ultimei faze de ardere depinde de viteza reaciilor chimice de oxidare Wr exprimat prin cantitatea de substan ce reacioneaz n unitatea de timp pe unitatea de volum, adic de cinetica procesului de oxidare (n kg/cm3 sau mol/cm3).

Durata celei de a doua faze a arderii este determinat de viteza de propagare a flcrii u n m/s care depinde nu numai de viteza reaciilor chimice, ci i de ali factori ca, spre exemplu, de turbionarea amestecului n camera de ardere.

Viteza masic de ardere sau pe scurt, viteza de ardere este un parametru foarte important al ciclului, deoarece mrimea sa determin viteza de degajare a cldurii i mpreun cu aceasta presiunea i temperatura gazelor n perioada arderii.

La motoarele cu cicluri diferite, procesul de ardere se desfoar diferit, deoarece caracterul su depinde de o serie de factori ca: modul de formare a amestecului i procedeul de aprindere a acestuia.

La motoarele cu carburator cu aprindere prin scnteie amestecul este practic omogen. Amestecul pregtit n prealabil este caracterizat de coeficientul de exces de aer X. Arderea acestui amestec n stratul frontului flcrii care se propag n camera de ardere de la punctul de aprindere n direcia amestecului nears, este foarte intens i se caracterizeaz n acest caz nu prin viteza reaciilor chimice, care la temperatura flcrii este suficient de ridicat, ci prin viteza de propagare a flcrii, care la motoarele cu aprindere prin scntei este de ordinul 40 m/s, valoare destul de ridicat.

La motoarele cu aprindere prin comprimare arderea decurge mai puin intens, ceea ce se explic prin lipsa unei pregtiri prealabile foarte

bune a amestecului de compoziie determinat i prin lipsa unei surse suplimentare de aprindere. In acest caz are loc o autoaprindere, arde un amestec eterogen de combustibil i aer, de compoziie variabil, n timp i ca dispunere n volumul camerei de ardere.

La aceste motoare viteza de ardere a combustibilului injectat n cilindru se limiteaz nu de ctre viteza de propagare a flcrii, ci de ali factori ca: viteza de pregtire pentru autoaprindere a primelor cantiti de combustibil injectat (la nceputul procesului) i viteza de amestecare a combustibilului cu aerul (n ultima parte a procesului). Viteza de amestecare a combustibilului cu aerul depinde de viteza de difuzie dintre moleculele de combustibil i oxigen i intensitatea transportului turbionar de mas n timpul arderii.

Prin urmare arderea n motoarele cu aprindere prin scnteie este foarte diferit de arderea din motoarele cu aprindere prin comprimare ceea ce impune analiza separat a arderii n aceste tipuri de motoare.ARDEREA NORMAL I FAZELE SALE PRINCIPALE

(MAS)Pentru dezvoltarea oportun a procesului de degajare a cldurii cu socotirea timpului de ardere a amestecului, aprinderea se efectueaz nainte ca pistonul s ajung n p.m.s. n cursa de compresie. Unghiul manivelei corespunztor acestui moment fa de p.m.s. se numete unghi de aprindere i pentru motoarele moderne cu carburator se afl la limitele nainte de p.m.s.

In figura 4.4 se arat diagrama indicat desfurat n coordonate p-a, care permite s se urmreasc caracterul variaiei presiunii gazelor n cilindru n funcie de unghiul de rotaie a arborelui cotit.

Dup cum se vede, ntre momentul producerii scnteii (1) i punctul 2 nu se produce o cretere apreciabil a presiunii, respectiv creterea presiunii practic nu se deosebete de cazul comprimrii cu aprindere deconectat (linie ntrerupt). Dup punctul 2 presiunea crete rapid pn la valoarea maxim (3), iar apoi n cursa de destindere descrete (punctul 4).

TIMPUL ARDERII LA MAS ARE TREI FAZE: faza I de iniiere a arderii,(1-2) faza a II-a de propagare a flcrii (2-3) faza a III-a de desvrire a arderii n timpul destinderii ,(3-4)Faza I este faza iniial sau perioada de inducie. n aceast faz se arde o cantitate redus de amestec n jurul bujiei (6-8%), iar presiunile i temperaturile nu cresc vizibil deoarece cldura degajat abia compenseaz pierderile de cldur prin pereii camerei de ardere. Aceast faz se desfoar pe i se mai numete ntrziere la aprindere.

Faza a II-a care este faza principal de ardere i se desfoar pe(10-25RAC), determin mersul linitit al motorului, adic caracterul creterii presiunii care se apreciaz prin creterea de presiune pe 1RAC, respectiv (fig.4.4,b). Pentru perioada de la nceputul arderii pn la atingerea presiunii maxime, la motoare cu viteza medie de cretere a presiunii este:

Acesta este un indice foarte important deoarece manifest influen asupra uzurii motorului i prin urmare asupra durabilitii motorului n ansamblu.

Practica a artat c motoarele au o funcionare corespunztoare dac :

,deoarece la valori mai mici arderea se prelungete n destindere, iar la valori mai mari motorul are o funcionare dur. De asemenea encienta maxim se obine dac presiunea maxim de ardere se atinge la dup p.m.s.Faza a III-a este faza final i ncepe dup atingerea presiunii maxime (punctul 3), ncheindu-se n destindere (punctul 4).

n aceast faz de postardere sau ardere ntrziat, se desvresc reaciile de ardere a combustibilului care nu s-a ars n fazele precedente.

Figura 4..5 Schema propagrii arderii n camera de ardere la p.m.s.: 1-zon strbtut de flacr ;

2-zon neaprins ;

3-frontul de flacr ;

4-amestecul care arde la urm .

Viteza de ardere n acest caz are valori reduse , iar aria frontului de flacr se micoreaz . Durata acestei faze sete de (30-50 RAC) , iar sfritul arderii este greu de precizat , putndu-se aprecia numai dup cantitatea da combustibil ars , respectiv dup cldura degajat n raport cu cldura furnizat ciclului .ARDEREA N MOTORUL CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE(MAC)

Arderea amestecului neomogen se deosebete esenial de arderea amestecului omogen. Procesul formrii amestecului i pregtirea sa pentru aprinderea n motorul cu aprindere prin comprimare, ncepe din momentul injectrii combustibilului n camera de ardere, adic de la 10-40 RAC nainte de a ajunge pistonul n p.m.s.(fg. 4.23).

Timpul disponibil pentru toate procesele de pregtire a amestecului pentru autoaprindere este foarte scurt i n motoarele cu aprindere prin comprimare aceste procese se realizeaz n (0,04-0,001)s , valorile mari referindu-se la motoarele lente ,iar cele mici la motoarele rapide . Timpul disponibil pentru pregtirea i formarea amestecului pentru aprindere la motoarele cu carburator este de cteva ori mai mare dect la motoarele cu aprindere prin comprimare.

Fazele de formare i pregtire a amestecului pentru autoaprindere la motoarele cu aprindere prin comprimare (pulverizarea combustibilului din injector i proiectarea sa n camera de ardere, nclzirea picturilor i vaporizarea lor, formarea prodigelor intermediare deoxidare i n final, aprinderea) se suprapun n timp una cu alta i se prelungesc pn dup aprindere. n aceasta const particularitatea i n acelai timp complexitatea studierii proceselor de ardere n aceste motoare.Combustibilul injectat n cilindru ajunge n mediul comprimat i prin urmare nclzit, aerul avnd n general presiuni de (3-4) MPa i temperaturi de 800-1000K.FAZELE ARDERII N MACn figura 4.24,a se prezint diagrama indicat desfurat, unde 12 este perioada de ntrziere la autoaprindere, 2-3 perioada de cretere brusc a presiunii, 3-4 perioada dezvoltrii temperaturii maxime a ciclului i apoi perioada desvririi arderii din momentul atingerii temperaturii maxime a ciclului pn la sfritul arderii. Fig. 4.24.(a)

n figura 4.24,b se prezint caracteristica de injecie i de degajare a cldurii. Curba descrie legea de injecie a combustibilului, curba reprezint variaia fraciunilor de cldur degajat, arat variaia presiunii de injecie i viteza de degajare a cldurii n funcie de timp sau de unghiul de rotaie al arborelui cotit.

Fig. 4.24.(b)

Fazele de ardere sunt reprezentate n fraciuni din timpul de desfurare a ciclului (fig.4.24,b) sau pot fi delimitate ntr-o diagram p-a n RAC .TIMPUL ARDERII LA MAC ARE PATRU FAZE:

I - faza pregtirii zonelor de autoaprindere (ntrzierea la autoaprindere);(1-2) II - faza dezvoltrii zonelor de autoaprindere i propagrii flcrii denumit i faza arderii rapide;(2-3) III - faza de ardere a masei de baz a amestecului (arderea moderat); (3-4) IV -faza arderii relativ ncetinite a componentelor de amestec rmase din faza precedent (postarderea cu ardere n destindere)(4-5).Faza a I-a - se desfoar n intervalul de timp din momentul nceperii reale a injectrii combustibilului (1) pn n momentul creterii rapide de presiune (2). n timpul acestei faze ptrunde n cilindru 30-40% din ntreaga cantitate de combustibil pentru un ciclu (la unele motoare rapide cantitatea de combustibil injectat poate fi chiar de 100%).

Durata primei faze, este de (0,002-0,006) s sau 10-30RAC, i determin caracterul desfurrii fazelor urmtoare n funcie de diferii factori. Faza a II-a - se observ o foarte intens degajare de cldur i o cretere brusc de presiune, corespunztoare perioadei (2- 3) aceast faz injecia de combustibil continu mrind concentraia acestuia n amestec. n aceast faz se degaj 30-50% din ntreaga cldur furnizat ciclului. Faza a III-a - injecia de combustibil de obicei nceteaz i arde masa de baz a amestecului de combustibil i aer. Se mai numete i faza arderii progresive, deoarece menine (p=ct.) pe o anumit perioad de timp. n afar de aceasta, faza a treia se caracterizeaz prin temperaturi nalte ale gazelor (sfritul fazei a treia). Faza a IV-a - ncepe din momentul atingerii temperaturii maxime de ardere n cilindru . Se socotete c limita sfritului arderii poate fi momentul cnd degajarea de cldur atinge 95-97% din cldura total degajat de ciclu. Faza este caracterizat de micorarea vitezei de degajare a cldurii i de micorarea vitezei de ardere. Injecia de combustibil i creterea cantitii de produse finale de ardere nu mai are loc. O mare durat a fazei de postardere poate provoca o ridicare a temperaturii gazelor arse i a pierderilor termice prin sistemul de rcire precum i mrirea solicitrii termice a pieselor.

Pentru micorarea duratei fazei a patra este necesar o intensificare a turbionarii amestecului i a duratei injeciei combustibilului n faza a treia.ANALIZA COMPARATIV A CAMERELOR DE ARDERE ALE MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE

Dup cum se vede n figura 4.25 exist multiple posibiliti de realizare a camerelor de ardere unitare.

Figura 4.25. Camere de ardere unitareCamerele unitare sunt acele camere n care arderea se desfoar ntr-un compartiment unic, delimitat de suprafa chiulasei, capul pistonului i pereii cilindrului, compartiment n care se injecteaz combustibil la sfritul compresiei .

O mare varietate de soluii constructive exist i n cazul camerelor de ardere compartimentate, cteva dintre cele mai reprezentative fiind reprezentate n figura 4.32.

Figura 4.32. Schemele unor camere de ardere divizate: (a-d) - cu camer de turbulen; (e-g) - cu anticamer.CONCLUZII:

Din punctul de vedere al rezervelor pentru forarea motoarelor prin supraalimentare, cele mai puin convenabile sunt cele cu camere divizate, deoarece la creterea presiunilor n cilindru cresc pierderile termice i gazodinamice.

Din punctul de vedere al economicitii cele mai bine situate sunt motoarele cu camer unitar la care nu apar pierderi gazodinamice importante la transferul gazelor n diverse zone ale camerei i au suprafeele relative de rcire cele mai mici, deci pierderi de cldur minime. La motoarele cu camere de ardere unitare calitile de pornire sunt mai bune dect la motoarele cu camere compartimentate. Sarcinile dinamice la care sunt supuse piesele mecanismului biel-manivel i nivelul zgomotului n funcionare sunt mai mici n cazul motoarelor cu camere de ardere compartimentate , acestea comportndu-se bine i la regimuri tranzitorii de funcionare, la nrutirea calitii combustibilului, la scderea presiunii de injecie. n czul camerelor de ardere compartimentate rezult concentraii mai mici ale substanelor nocive n gazele de ardere fa de nivelul concentraiei acestora la motoarele cu injecie direct. EMBED MSPhotoEd.3

Fig. 4.23. Camera de ardere cu prindere prin flacr

_1304362915.unknown

_1304411366.unknown

_1304411437.unknown

_1304418449.unknown

_1304418946.unknown

_1304418997.unknown

_1304418858.unknown

_1304411482.unknown

_1304411407.unknown

_1304363112.unknown

_1304411281.unknown

_1304366432.bin

_1304362939.unknown

_1304362494.unknown

_1304362745.unknown

_1304362838.unknown

_1304362559.unknown

_1304362115.unknown

_1304362297.unknown

_1304362337.unknown

_1304362230.unknown

_1304361903.unknown