Ciclurile teoretice ale motoarelor cu ardere interna cu piston

5.2 . Ipoteze de baza ale studiului termodinamic al ciclurilor

Principiul de functionare al motorului cu ardere interna, ca masina termica, conduce la doua concluzii de baza, si anume:

a) conform primului principiu al termodinamicii, motorul cu ardere interna nu poate produce lucru mecanic fara consum de caldura;

b) Conform celui de al doilea principiu al termodinamicii functionarea motorului cu ardere interna este conditionata de existenta a doua surse de caldura, aflate la temperaturi diferite: o sursa calda, aflata în interiorul motorului si o sursa rece în exterior, reprezentata de mediul înconjurator . 5.3. Ciclul teoretic general al motoarelor cu ardere interna

Ciclul teoretic general a fost introdus în teoria motoarelor cu ardereinterna, în vederea studiului termodinamic, de catre Profesorul dr. doc. Emil Gaiginschi. Acest ciclu are la baza ipoteza conform careia, atât introducerea cantitatii de caldura, notata q1, cât si cedarea cantitatii de caldura din ciclu, notata q2, se fac în lungul unei succesiuni de transformari termodinamice simple, caracterizate prin: v = const., p = const. si T = const. În acest mod, rezulta ciclulreprezentat în fig. 5.1 a, în coordonate p, V si în fig. 5.1 b, în coordonate T, S, în care:1 1v 1p 1T q q q q si 2 2v 2 p 2T q q q q (5.1)

Avantajul major al acestui ciclu consta în faptul ca, actionându-se asupra combinatiilor dintre transformarile în lungul carora au loc schimburile de caldura, rezulta un numar mare de cicluri teoretice particulare, considerate cicluri posibile, care includ toate ciclurile motoarelor termice cunoscute.

5.4. Ciclurile teoretice ale motoarelor cu ardere interna cu piston uzualea - motoare cu ardere la volum constant;b - motoare cu ardere mixta, la care arderea se desfasoara partial la volum constant si partial la presiune constanta;c - motoare cu ardere la presiune constanta.

La nivelul procesului de ardere, pentru motorul cu ardere la volum constant, evolutia c – z a fost înlocuita prin izocora c – z, pentru motorul cu ardere la presiune constanta, linia c – z s-a înlocuit prin izobara c – z, iar pentru motorul cu ardere mixta, evolutiile c - y si y – z au fost asimilate cu izocora c – y, respectiv izobara y – z. În acest mod, cantitatile de caldura, care la motoarele reale se introduc prin arderea combustibilului, la ciclurile teoretice se înlocuiescprin cantitatile de caldura introduse din exterior, în lungul transformarilor c – z, fara pierderi. Pe de alta parte, izocorele d – a constituie, pentru toate cele trei cicluri teoretice, linii de închidere si, în acelasi timp, unicele portiuni prin care fluidul de lucru cedeaza caldura catre mediul exterior.5.5. Analiza ciclului teoretic mixt Desi studiul ciclurilor teoretice ale motoarelor cu ardere interna cu piston se face dupa modelul ciclului teoretic general, pentru simplificare, generalizarea se va limita la nivelul ciclului teoretic mixt, adica ciclul motoarelor cu aprindere prin comprimare cu regim rapid de functionare.

5.6. Particularizari ale ciclului teoretic mixt 5.6.1. Ciclul teoretic al motoarelor cu aprindere prin scânteie

Se obtine astfel un ciclul termodinamic fundamental, la care atât introducerea cât si cedarea de caldura se fac la volum constant si care se numeste ciclu izocor.

5.6.2. Ciclul teoretic al motoarelor cu aprindere prin comprimare cu regim lent de functionare

Pe baza reprezentarilor în cele doua tipuri de coordonate, precum si arelatiilor de calcul a randamentului termic se analizeaza influentele diversilor factori, în special a parametrilor care determina configuratia ciclurilor, asupra acestui tip de randament

5.7. Influente asupra randamentului termic al ciclurilor teoretice 5.7.1. Influente asupra randamentului termic al ciclului teoretic al motoarelor cu aprindere prin scânteie

Dupa cum se observa, în domeniul rapoartelor mici, randamentul termic al ciclului teoretic al

motoarelor cu aprindere prin scânteie este mai sensibil la modificarile raportului volumetric ƹ. La valori mai mari ale lui ƹ, cresterea randamentului termic devine însa progresiv mai lenta, pentru ca apoi sa tinda asimptotic catre valoarea 1. 5.7.2. Influente asupra randamentului termic al ciclului teoretic al motoarelor cu aprindere prin comprimare cu regim lent de functionare

Pentru a studia dependenta randamentului de acesti doi factori se vorconsidera urmatoarele cazuri:a) modificarea raportului volumetric de comprimare ƹ, valoarea lui ρ ramânând constanta;

b) modificarea raportului de destindere prealabila ρ, valoarea lui ƹ ramânând constanta.În concluzie, la cresterea raportului de destindere prealabila ', atunci când raportul volumetric de

comprimare $ ramâne constant, randamentul termic al ciclului teoretic al motoarelor cu aprindere prin comprimare cu regim lent de functionare scade.

c) modificarea simultana a celor doua rapoarte, raportul volumetric de comprimare ƹ si raportul de destindere prealabila ρ

5.7.3. Influente asupra randamentului termic al ciclului teoretic al motoarelor cu aprindere prin comprimare cu regim rapid de functionare

Aceasta categorie de motoare, prezinta o importanta deosebita, deoarece ea include motoarele Diesel pentru autovehicule rutiere, pentru tractoare si masini agricole, precum si motoare pentru masini si utilaje de constructii , etc., concluziile obtinute în urma studiului putând fi deosebit de utile în vederea proiectarii si optimizarii lor.

Posibilele modificari ale conditiilor de evolutie din acest ciclu teoretic conduc, în esenta, la trei cazuri care prezinta interes pentru studiul teoretic. Aceste situatii vor fi, pe scurt, grupate astfel:a) modificarea raportului volumetric de comprimare ƹ, valoarea parametrilor λz si ρ ramânând constanta;

In acest caz de studiu, randamentul termic al ciclului teoretic al motoarelor cu aprindere prin comprimare cu regim rapid de functionare, variaza în acelasi sens cu raportul volumetric de comprimare ƹ, adica la cresterea lui ƹ, când valoarea parametrilor λz si ρ ramâne constanta,randamentul termic creste.

b) mentinerea constanta a raportului volumetric de comprimare ƹ, modificându-se valoarea parametrilor λz si ρ;

Astfel, în acest al doilea caz analizat se pune în evidenta faptul ca atunci când se mentine constant raportul volumetric de comprimare ƹ, modificându-se valoarea parametrilor λz si ρ, randamentul termic al ciclului teoretic al motoarelor cu aprindere prin comprimare cu regim rapid de functionare, variaza în acelasi sens cu λz si în sens invers cu ρ.c) modificarea simultana atât a raportului volumetric de comprimare ƹ, cât si a parametrilor λz si ρ.

Relativ la acest al treilea caz, se concluzioneaza ca modificarea simultana a parametrilor ƹ, λz si ρ, cu mentinerea constanta a cantitatii de caldura q1, determina o variatie a randamentu-lui termic în acelasi sens cu raportul volumetric de comprimare ƹ si sens invers cu cei doi parametri λz si ρ

5.8. Comparatii între ciclurile teoretice uzuale ale motoarelor cu ardere interna cu piston A. Grupa de criterii caracterizare prin egalitatea rapoartelor volumetrice ale ciclurilor care se compara,

B. Grupa de criterii caracterizate prin valori diferite ale rapoartelor volumetrice apartinând ciclurilor care se compara,

Astfel, în acest caz de comparatie, considerând aceleasi temperaturi si aceleasi presiuni maxime ale ciclurilor puse în discutie, randamentul termic cel mai bun îl va avea ciclul cu raportul volumetric de comprimare cel mai mare, adica ciclul izobar, succedat de ciclul mixt si de cel izocor.

Studiul procesului de admisie al motoarelor cu ardere interna cu piston în patru timpi

6.2. Admisia normala la motoarele în patru timpi

Deoarece variatiile de presiune din cilindri, corespunzatoare proceselor de schimb de gaze sunt reduse în raport cu presiunea atmosferica, daca se ridica diagrama indicata a întregului ciclu ele nu apar. De aceea este necesar ca variatiile de presiune în cursele de admisie si evacuare sa fie urmarite la o alta scara decât cea a diagramei ciclului. În acest caz, presiunile ridicate corespunzatoare proceselor de comprimare, ardere si destindere ies din câmpul diagramei. Desfasurarea procesului real al umplerii poate fi urmarita totusi cuajutorul diagramei indicate (ciclul real – partea de umplere), analizându-se însa numai partea inferioara care se numeste si diagrama de pompaj. În acest scop se stabilesc corespondentele dintre presiunea p din cilindru, viteza Wa de curgere a încarcaturii proaspete prin supapa de admisie si viteza Wp a pistonului în fiecare moment al procesului de admisie.

Fig. 6.1 Evolutia parametrilor procesului deumplere prin intermediul diagramei de pompaj

Analiza procesului de umplere conduce la concluzia ca, în realitate, nu exista o coincidenta între deplasarea pistonului în cursa de admisie si realizarea procesului umplerii; suprapunerea este numai partiala. Tocmai de aceea, comanda supapei de admisie trebuie facuta astfel ca deschiderea si închiderea ei sa nu se produca în punctele moarte ci în momente astfel alese încât sa se asigure patrunderea si retinerea în cilindru a unei cantitati cât mai mari de încarcatura proaspata. Supapa de admisie se deschide în general în avans fata de PMI si seînchide întotdeauna dupa PME .Aceste momente de deschidere sau de închidere ale supapei de admisie în raport cu punctele moarte, se numesc cotele de reglaj ale umplerii. Ele seexprima în unghiuri de rotatie ale arborelui cotit RAC.

6.3. Criterii de apreciere a eficientei procesului de admisieEficienta procesului de umplere se apreciaza prin cantitatea de încarcatura proaspata efectiv

retinuta în cilindrul motorului, notata cu G1, dar mai ales prin randamentul umplerii, care se noteaza cu ƞV

si se defineste ca raportul G1 / G0 unde: G0 este cantitatea de încarcatura proaspata ce ar putea sa fie retinuta încilindrul motorului, în conditiile unei umpleri optime, adica daca ar umple volumul Vs la parametrii p0 si T0.

6.4. Influente asupra admisiei normale la motoarele în patru timpi 6.4.1. Influenta proprietatilor încarcaturii proaspete

a) Influenta presiunii initiale a încarcaturii proaspete

Prin presiune initiala se întelege presiunea încarcaturii proaspete la intrarea în supapa de admisie a motorului si se considera egala cu presiunea mediului înconjurator, p0.

b) Influenta temperaturii initiale a încarcaturii proaspetePrin temperatura initiala se întelege temperatura încarcaturii proaspete laintrarea în supapa de admisie a motorului, ea considerându-se egala cu T0. La cresterea temperaturii initiale T0, randamentul umplerii

ƞv creste deoarece se reduc pierderile termice din procesul umplerii prin micsorarea gradului de preîncalzire a încarcaturii proaspete.

c) Influenta dozajului încarcaturii proaspete

Pentru combustibilul cu calduraatenta de vaporizare mai mare (1), pe perioada admisiei se consuma o cantitate de caldura mai mare, pierderile termice fiind din aceasta cauza, mai mici si deci ƞv mai bun, fata de situatia utilizarii unui combustibil cu caldura latenta de vaporizare mai mica (2).

d) Influenta gazelor arse restantePrezenta gazelor arse ramase în cilindru din ciclul precedent, influenteaza în mod defavorabil umplerea, prin intermediul a doua mecanisme. În primul rând, aceste gaze ocupa o parte din volumul cilindrului, care astfel nu mai este disponibil în totalitate pentru umplere. În al doilea rând, influenta gazelor arse restante se manifesta prin încalzirea încarcaturii proaspete cu care acestea se amesteca în timpul procesului de umplere. Este însa o influenta extrem de redusa.

e) Influenta continutului de umezealaUn prim efect si anume acela de racire locala care se datoreaza vaporizarii picaturilor de apa. este favorabil umplerii, conducând la diminuarea pierderilor termice si astfel la o ameliorare, într-o mica masura a coeficientului de umplere. Pe de alta parte, prezenta apei în cilindru conduce la micsorarea volumului disponibil, ceea ce conduce la o înrautatire a umplerii cu amestec.

f) Influenta vitezei de curgere a încarcaturii proaspeteViteza de curgere a încarcaturii proaspete influenteaza umplerea prin modificarea cantitativa a pierderilor gazodinamice. Astfel, daca viteza de curgere a încarcaturii proaspete creste, pierderile gazo-dinamice cresc si astfel umplerea se înrautateste, în sensul alterarii progresive a valorilor coeficientului de umplere,

g) Influenta turbulentei din cilindruIntensitatea turbulentei este influentata de marimea turatiei motorului; la cresterea turatiei motorului, intensitatea turbulentei creste. Din punct de vedere al umplerii, turbulenta este o pierdere. Efectul este însa secundar. Mai importanta este însa influenta favorabila în procesul de formare a amestecului, în special la motoarele Diesel. 6.4.2. Influenta factorilor functionali

a) Influenta turatiei motoruluib) Influenta sarcinii motorului

6.4.3. Influenta factorilor constructivia) Influenta dimensiunilor si configuratiei traseului de admisie

La motorul cu formarea amestecului în exterior, aceste pierderi sunt influentate de vaporizarea combustibilului dupa carburator, precum si de încalzirea dirijata a sistemului de admisie, încalzire efectuata în scopul desavârsirii acestei vaporizari.

b) Influenta dimensiunilor cilindruluiSe urmareste în cadrul unor conditii de similitudine. Un prin caz îl constituie similitudinea geometrica. Doi cilindri se numesc similari geometric daca au toate caracteristicile de forma identice, fiind diferiti numai prin caracteristici dimensionale, unul dintre ei fiind modelul marit, la o anumita scara a celuilalt

c) Influenta arhitecturii camerei de ardereIntervine în special prin modul în care sunt plasate supapele, punându-se în discutie pierderilor gazo-dinamice si termice, generate de devierea curentului de încarcatura proaspata si de marimea suprafetelor de contact.

d) Influenta naturii peretilor care limiteaza spatiul destinat umpleriiInfluenta se exercita prin intermediul pierderilor termice introduse de temperatura suprafetelor care limiteaza acest spatiu. Cu cât aceste temperaturi sunt mai reduse cu atât pierderile termice sunt mai mici si umplerea se amelioreaza

e) Influenta cotelor de reglaj ale umpleriiDaca supapa se închide înainte, umplerea se înrautateste prin oprirea patrunderii încarcaturii în miscare, iar daca supapa se închide prea târziu, curentul îsi schimba sensul de miscare, gazele iesind din cilindru.

f) Influenta raportului volumetric6.5. Determinarea parametrilor specifici procesului de admisie 6.5.1. Presiunea din cilindru la sfârsitul cursei de admisie, pa

6.5.2. Cresterea de temperatura a fluidului proaspat, ΔT. 6.5.3. Temperatura la sfârsitul cursei de admisie, Ta, 6.5.4. Gradul de umplere, ƞv, denumit si randament al umplerii, coeficient de umplere, sau chiar randament volumetric este definit prin raportul dintre cantitatea (masica, gravifica, molara, volumica) de fluid proaspat retinuta în cilindru la sfârsitul admisiei si cantitatea posibila dea fi introdusa în cilindreea VS, în conditiile de presiune si de temperatura de la intrarea în motor, adica fara pierderi.