Calculul motorului termic

26
1.Introducere 1.1 Principiile de funcționare ale motoarelor cu ardere internă Motoarele utilizate pentru acționarea automobilelor so tractoarelor, sunt motoare termice cu piston. Prin motor termic cu piston se înțelege motorul cu ardere internă cu piston, cu mișcare alternativă. [2] Un motor cu ardere internă poate fi definit ca un motor care transformă energia chimică a combustibilului în lucru mecanic, ca urmare a evoluției fluidului motor, disponibil la arborele cotit. Evoluția fluidului motor se realizează prin intermediul mecanismului motor și a altor sisteme auxiliare care constituie ansamblul unui motor cu ardere internă. Fig.1.1 Schema principială a fluxului de energie în MAI [2] Transformarea energiei chimice a combustibilului, prin arderea acestuia, în energie mecanică este însoțită de o serie de pierderi. Prin pierderi se înțelege cota parte din energia 1

description

Proiect PCMAI

Transcript of Calculul motorului termic

1.Introducere1.1 Principiile de funcionare ale motoarelor cu ardere internMotoarele utilizate pentru acionarea automobilelor so tractoarelor, sunt motoare termice cu piston. Prin motor termic cu piston se nelege motorul cu ardere intern cu piston, cu micare alternativ. [2]Un motor cu ardere intern poate fi definit ca un motor care transform energia chimic a combustibilului n lucru mecanic, ca urmare a evoluiei fluidului motor, disponibil la arborele cotit. Evoluia fluidului motor se realizeaz prin intermediul mecanismului motor i a altor sisteme auxiliare care constituie ansamblul unui motor cu ardere intern.Fig.1.1 Schema principial a fluxului de energie n MAI [2]

Transformarea energiei chimice a combustibilului, prin arderea acestuia, n energie mecanic este nsoit de o serie de pierderi. Prin pierderi se nelege cota parte din energia eliberat ca urmare a arderii combustibilului, care nu ajunge la arborele cotit. [2]Considernd 100% energia eliberat prin arderea combustibilului, numai 25-40% ajunge la arborele cotit sub forma energiei mecanice utile.Pierderile motorului cu ardere intern, exprimate prin cldur netransformabil n energie mecanic (pierderile prin gazelle de evacuare i prin fluidul de rcire) sunt cauzate de modul inevitabil n care cldura poate fi transformat n energie mecanic, putand fi imputate motorului. [2] n condiiile actuale, cnd se pune tot mai acut problema folosirii raionale a combustibilului, la aprecierea unui motor intereseaz n mod deosebit randamentul efectiv(care ine seama de pierderile termice i mecanice ale motorilui), precum i consumul specific efectiv de combustibil, principalii indici de economicitatea care reflect gradul de perfecionare al unui motor. [2] Eficiena economic a motorului, care este un deziderat hotrtor, trebuie, deci, apreciat n complexitatea ei. n acest sens este semnificativ faptul c unele perfecionri aduse motorului, dei mresc preul de cost, conduc la cheltuieli de exploatare mai reduse, aprnd n ansamblu ca eficiente. [2] Schema de funcionare a unui motor cu ardere intern n patru timpi este prezentat n fig.1.2.Fig.1.2 Schema de principiu a MAI [1]n cilindrul 1 se deplaseaz pistonul 2 care este articulat prin biela 3 cu manivela 4 a arborelui cotit 14. Chiulasa 5 care nchide n partea superioar cilindrul este prevzut cu un canal de admisie 8 n care este aezat o supap SA 9 i un canal de evacuare 10 comandat prin supapa SE 12. De asemenea n chiulas este practicat un orificiu pentru bujie 6 (MAS) sau pentru injector (MAC). [1]ncrctura proaspt ptrunde n cilindru prin canalul 8 din chiulas i prin seciunea controlat de supapa de admisie 9 a crei deschidere este comandat prin cama arborelui de distribuie 11 n funcie de poziia pistonului n cilindru. [1]Gazele arse sunt eliminate prin seciunea 10 controlat de supapa de evacuare 12, prin canalul din chiulas i prin colectorul de evacuare. Supapa de evacuare este comandat printr-o cam acionat de la arborele de distribuie n funcie de poziia pistonului. [1]Cilindrul pistonului este practicat ntr-un bloc ce se construiete cu partea inferioar sub form de carter 17 n care se fixeaz lagrele 13 ale arborelui cotit. Pe carter se prevd supori prin care se sprijin motorul pe asiul autovehiculului, iar partea sa inferioar este nchis printr-o baie de ulei 15. Aspiraia ncrcturii proaspete se realizeaz prin deplasarea pistonului de la P.M.S pn la P.M.I, timp n care supapa de admisie este deschis, supapa de evacuare fiind nchis. Prin rotirea n continuare a manivelei pistonul se deplaseaz din P.M.I pan n P.M.I, comprimnd ncrctura proaspt din cilindru, timp n care ambele supape sunt nchise.[1]La sfritul cursei de comprimare ncrctura proaspt se aprinde prin scnteie (MAS) sau se injecteaz motorina care se vaporizeaz i se autoaprinde (MAC). Urmeaz destinderea care se realizeaz pe durata deplasrii pistonului din p.m.s pn P.M.I, transformnd energia termic a gazelor n energie mecanic furnizat arborelui cotit i mai departe transmisiei autovehiculului. [1]La sfritul cursei de destindere se deschide supapa de evacuare, o parte din cazele arse se elimin din cilindru datorit presiunii superioare la care se afl fa de presiunea atmosferic, iar restul gazelor arse sunt pompate de ctre piston n deplasarea sa de la P.M.I pana la P.M.S, timp n care supapa de evacuare rmne deschis. Ciclul se reia apoi printr-o nou aspiraie de ncrctur proaspat. [1]

1.2 Clasificarea motoarelor cu ardere intern

Dup procedeul de aprindere:-motor cu cap de aprindere, cap incandescent (MAC)-motor cu aprindere prin scnteie (MAS)Dup starea combustibilului:-motor cu combustibil lichid-motor cu gaz-motor policarburant-motor cu gaz si injecie pilot lichidDup procedeul de formare al amestecului:-MAS cu carburetor-MAS cu injecie-MAC cu injecie-motor cu amestector (motor cu gaz)

Dup ciclul motor:-motor n 4 timpi - ciclul se realizeaz la 4 deplasri ale pistonului-motor n 2 timpi - ciclul se realizeaz la 2 deplasri ale pistonuluiDup procedeul de rcire:-rcire cu aer-rcire cu lichid

Dup modul de acionare al pistonului-motor cu simplu efect-motor cu dublu effect-motor cu pistoane opuse-motor cu pistoane libere

Dup dispunerea cilindrilor:-motor vertical-motor orizontal-motor inversat-motor n linie-motor n V(W)-motor cu cilindrii opui (boxer)-motor nclinat-motor n stea-motor n X-motor n H

1.3 Procesele motoarelor cu ardere intern

1.3.1 Procesele de schimbare a gazelor

Procesele de admisie (umplere) i evacuare, denumite procese de schimbare a gazelor, se studiaz mpreun, deoarece prezint ca elemente comune curgerea gazelor, ele succedndu-se, adic procesul de evacuare dintr-un ciclu dat precede procesul de admisie din ciclul urmtor, care este influenat sensibil de evacuarea complet sau incomplet a gazelor arse din cilindru. [2]Umplerea normal se consider ca are loc prin efectul depresiunii creat de piston la deplasarea acestuia de la p.m.s la p.m.i(supapa de admisie fiind deschis). Umplerea este precedat de evacuarea aproape complet a gazelor arse din cilindr. Diagrama care red variaiile presiunii din cilindru n timpul desfaurrii proceselor de evacuare i umplere se numete diagrama de pompaj, deoarece procesele sunt similare cu cele dintr-o pomp. Diagramele de pompaj reale au variaii sensibile ale presiunii datorit undelor de presiune care apar. [2]Fig.1.3 Diagrama de pompaj real i simplificat,pentru motor in 4 timpi [2]Din diagrama indicat (Fig.3.1) rezult c schimbarea gazelor ncepe cu evacuarea gazelor prin seciunea controlat de supapa de evacuare, care se deschide cu avans fa de P.M.I. n prima faz (dse-b) are loc o evacuare liber, sub aciunea presiunii gazelor din cilindru, cnd se ndeprteaz din cilindru 60-70% din cantitatea total a gazelor arse. n aceast prim faz se disting dou regimuri de curgere a gazelor: regimul de curgere supreacritic (dse-b1), n care viteza gazelor atinge valori de peste 500 m/s i regimul subcritic (b1-b), unde viteza gazelor are valori sub 340 m/s. [2]A doua faz a evacurii are loc ca urmare a deplasrii pistonului de la p.m.i la p.m.s i se numete evacuare forat. Viteza de curgere a gazelor n acest caz este de ordinul 80-100m/s, iar presiunea pev=1.05...1.25 daN/cm2. [2] Faza a treia a evacurii, numit postevacuare are loc din p.m.s pn la nchiderea supapei de evacuare (se).Dei teoretic umplerea (admisia fluidului motor n cilindru) poate ncepe odat cu deschiderea supapei de admisie (dsa), cu avans fa de P.M.S, practic umplerea ncepe dup P.M.S (u). Aceasta se explic prin faptul c intrarea fluidului motor proaspt n cilindrii devine posibil numai dup reducerea presiunii gazelor reziduale din cilindrii, sub presiunea din galeriile de admisie. Pe de alt parte, fluidul motor proaspt posed o anumit inerie, ceea ce face ca umplerea s nceap efectiv doar cu puin nainte de nchiderea supapei de evacuare (se). [2]Faza principal a umplerii are loc la deplasarea pistonului din punctul u pn n p.m.i. Viteza medie de intrarea a fluidului motor proaspt prin seciunea controlat de supapa de admisie este de 60-90 m/s. Presiunea fluidului motor n cilindru este pa=(0.75...0.9)p0. [2] Ultima parte a procesului de umplere, numit postumplere, are loc din P.M.I pn cnd presiunea din cilindru devine egal cu presiunea atmosferic (sa). [2]

1.3.2 Procesul de comprimare

Comprimarea fluidului motor proaspt are ca scop crearea condiiilor favorabile de presiune i temperatur necesare prntru desfurarea optim a proceselor care urmeaz comprimrii. La MAC parametrii finali ai procesului de comprimare trebuie s asigure autoraprinderea amestecului i arderea, iar la MAS s asigure omogenizarea amestecului combustibil-aer n vederea arderii cu eficien maxim. La ambele tipuri de motoare procesul de comprimare trebuie s contribuie la mrirea intervalului de temperatur ntre care se desfoar ciclul funcional, obinndu-se prin acesta creterea randamentului termic i o eficien economic sporit a motorului. [2]Convenional, se consider c procesul comprimrii ncepe dup nchiderea organelor de distribuie i se termon n momentul prodeucerii snteii (MAS) sau al nceperii injeciei (MAC).[2] Procesul comprimrii este redat de poriunea de curb a`-c`(Fig.1.4). n cazul ciclului teoretic s-a presupus c procesul comprimrii se desfoar adiabatic, n realitate, datorit schimbului permanent de cldur cu pereii, comprimarea se desfoar politropic.La nceputul comprimrii (a`-ad) are loc un shimb de cldur de la perei la fluidul motor. n punctul (ad)- numit punct de adiabatism- cantitatea de cldur cedat este egal cu cantitatea de cldur primit. Creterea n continuare a temperaturii gazelor conduce la schimbarea sensului de schimb de cldur, gazele cednd cldur pereilor (ad-c`). [2] Fig.1.4 Schema procesului de comprimare[2]

1.3.3 Procesul de ardere

La MAS arderea ncepe n momentul producerii snteii electrice, ntr-un moment determinat al ciclului, care asigur apariia nucleului de flacr i rspndirea flcrii n toate direciile, pn la cuprinderea n ntregime a amestecului combustibil-aer (considereat amestec omogen).Producerea flcrii cu viteze moderate se numete ardere normal, care determin o eficien economic ridicat, asigurnd o durabilitate i funcionare de lung durat a motorului.Arderea normal poate fi studiat pe baza diagramei indicate (Fig.1.5,a), n special a celei desfurate (Fig.1.5,b) care mrete precizia investigaiei. Snteia electric se produce n punctul S cu avansul s fa de p.m.s. Unghiul s se numete avans la producerea scnteii electrice. [2]

Fig.1.5 Schematizarea procesului de ardere n diagramele p-v(a);p-(b) i variaia concentraiei unor substane n timpul arderii(c) [2]

Dup producerea scnteii electrice are loc prima perioad a arderii 1, numit perioada ntrzierii la aprindere, care ncepe cu formarea nucleuilui de flacr, iar cnd flacra a cuprins un volum suficient de mare de amsetec de combustibil-aer are loc creterea rapid a presiunii (moment marcat pe diagrama indicat prin desprinderea curbei de variaie a presiunii cu ardere de curba fr ardere). n aceast a doua perioad, numit i perioad principal de ardere 2 viteza de deplasare a flcrii atinge 20-40 m/s. Durata perioadei principale a arderii, care se consider ncheiat cnd presiunea atinge valoarea maxim, este influenat preponderent de intensitatea turbulenei. Perioada a treia a arderii 3, care se desfoar n destindere, nu este dorit deoarece conduce la randamente sczute. [2] Duratele celor trei perioade exprimate prin unghiurile sau timpii corespunztori sunt influenate de factori diferii, astfel n prima i ultima perioad predomin influena factorilor fizico-chimici, iar n perioada principal este hotrtoare intensitatea micrii turbulente. [2]n Fig.1.5,b sunt puse n eviden cteva imagini reproduse ale camerei de ardere, de unde se poate urmri evoluia frontului flcrii. Variaia concentraiei locale a unor substane n timpul arderii este evideniat n Fig.1.5,c.Uneori este posibil ca spre sfritul arderii normale s apar n fluidul motor fenomene de autoaprindere caracterizare de viteze ridicate de propagare a flcrii. n acest caz arderea se numete detonant i constituie o ardere anromal. Arderea cu detonaie limitez creterea puterii i economicitii MAS, prin mrirea raportului de compresie. [2]Fig.1.6 Diagrame indicate n cazul funcionrii MAS cu detonaie [2]

Din schema fotografiilor camerei de ardere (Fig.1.6) se observ c n faa frontului flcrii apar iniial puncte cu emisie luminoas, apoi se transform n nuclee de flacr care se dezvolt cu viteze foarte mari (200-750 m/s) Ca urmare se produc unde puternice de oc care se propag cu viteze de circa 1200 m/s, att n amestecul combustibil-aer ct i n gazele arse. Prin reflectarea undelor de oc, pe perei, se transform n unde de detonaie care se deplaseaz cu viteze excesive (2000-2500 m/s). Arderea detonant e nsoit de zgomote metalice, scderea puterii i a economicitii.[2] La funcionarea mai ndelungat a motorului n regim de detonaie are loc o uzur important a cilindrilor i segmenilor, uneori putnd avea loc chiar spargerea pistonului.

1.3.4 Procesul de destindereTeoretic, destinderea se numete timp motor i corespunde cu deplasarea pistonului ntre p.m.s i p.m.i. . Adoptnd principiul c procesul de destindere are ca scop cedarea energiei fluidului motor ctre piston, se poate considera i real c destinderea dureaz din P.M.S pn n P.M.I. [2]Fig.1.7 Reprezentarea procesului destinderii n diagrama indicat i modelul de calcul al parametrilor la sfritul destinderii [2]Din punct de vedere al studierii proceselor de lucru, apare mai convenabil a considera c destinderea dureaz din momentul n care presiunea din cilindru are valoae maxim la MAS sau MAC i se termin cu deschiderea organelor de evacuare.[2] Temperatura ridicat a gazelor face ca destinderea s decurg n condiiile unei cedri intense a cldurii ctre perei. Valoarea redus a exponentului politropic mediu nd, comparativ cu exponentul adiabatic, la nceputul destinderii se explic prin facptul c pe aceast poriune a destinderii aportul de cldur prin ardere depete pierderea de cldur prin transfer ctre perei i chivalentul n cldur a lucrului mecanic produs prin destinderea fluidului motor.

2.Calculul termic al motoruluiMotorul pentru care se va realiza calculul este unul dintre cele care echipeaz autovehiculul Honda Civic VI-1.6i (105cp). Datele tehnice se regsesc n [anexa1].-Alegerea parametrilor iniiali (conform anexa 1 din [1]):

[kW] [rot/min]

Temperatura initiala [K]

Presiunea initiala [N/m2]

Temperatura gazelor reziduale [*C]

Coeficientul de exces de aer

Raportul de comprimare [anexa1]

2.1 Calculul procesului de admisie:

Parametrii procesului de schimb de gaze (conform anexa1 din [1]):

Preincalzirea amestecului [K]

Presiunea la sfarsitul admisiei [N/m2]

Coeficient de postumplere

Presiunea gazelor reziduale [N/m2]

Coeficientul gazelor reziduale:

Preincalzirea amestecului [K]

Presiunea la sfarsitul admisiei [N/m2]

Coeficient de postumplere

Presiunea gazelor reziduale [N/m2]

Temperatura la sfritul admisiei:

[K]

Coeficientul de umplere:

2.2 Calculul procesului de comprimare:

Coeficientul politropic de comprimare (conform anexa1 din [1])

Presiunea la sfritul comprimrii:

[N/m2] [N/m2]

Temperatura la sfritul comprimrii:

[K] [K]

2.3 Calculu procesului de ardere

Conform anexa1 din [1], se adopt urmtoarea compoziie a benzinei:

[Kg] Carbon

[Kg] Hidrogen

[Kg] Oxigen

[kj/Kg]

Coeficientul de utilizare a cldurii

Masa molar a combustibilului

Determinarea aerulu minim necesar arderii a 1 kg de combustibil:

[kmol aer/kg comb]

[kmol aer/kg comb]

Cantitatea de aer necesar arderii:

[kmol aer/kg comb]

[kmol aer/kg comb]

Cantitatea de ncrctur proaspt, raportat la 1 kg de combustibil:

[kmol/kgcomb]

[kmol/kgcomb]

Coeficientul teoretic de variaie molar a ncrcturii proaspete pentru