termotehnica motoare cu ardere interna

TERMOTEHNICA II - Note de curs-2012-2013

Sl. dr. ing. Paula UNGURESAN 1

TERMOTEHNICA II

CURS 13-14

MOTOARE CU ARDERE INTERNA

7.1 Generalitati. Criterii de clasificare

Motoarele cu ardere interna sunt masini termice motoare care produc lucru mecanic peseama caldurii dezoltate prin arderea combustibilului intr-un cilindru sau intr-o camera de ardereplasata in interiorul masinii.

Ciclul motor are loc intr-un cilindru prevazut cu un piston legat de arborele motor(cotit). Pistonul executa o miscare alternanta intre doua pozitii extreme, numite punct mortinterior (p.m.i. ) sau punct mort superior si punct mort exterior (p.m.e) sau punct mort inferior.

Cele mai importante criterii de clasificare ale motoarelor cu ardere interna sunt:

a) Dupa numarul de timpi:- motor in patru timpi : la care ciclul de functionare se realizeaza in patru curse alepistonului (doua rotatii ale arborelui cotit); Cei patru timpi de functionare sunt: admisia,compresia, destinderea si evacuarea.

TIMPUL I - Admisia - pistonul care se deplaseaza de la punctul mort superior catrepunctul mort inferior creaza o depresiune care provoaca aspiratia incarcaturii proaspete deamestec (combustibil si aer la motoarele cu prindere prin scanteie) si aer (la motoarele cuaprindere prin comprimare) prin supapa de admisie deschisa.

TIMPUL II - Comprimarea - are loc prin deplasarea pistonului de la punctul mortinferior catre punctul mort superior. Ambele supape sunt inchise. La sfarsitul cursei decomprimare, amestecul aer – combustibil este aprins (la motoarele cu aprindere prin scanteie)iar la motoarele cu aprindere prin comprimare, in masa de aer cald se injecteaza combustibilulcare se aprinde (avans la injectie).

TIMPUL III – Arderea si detenta – este partea utila din ciclu, in care se produce lucrumecanic; pistonul se deplaseaza de la punctul mort superior catre punctul mort inferior. Inapropierea punctului mort inferior, spre finalul cursei de destindere se deschide supapa deevacuare (cu avans la evacuare), producandu-se evacuarea libera datorita diferentei de presiunedintre gaze si atmosfera.

TIMPUL IV – Evacuarea – pistonul se intoarce din punctul mort inferior catre punctulmort superior si matura gazele de ardere, care parasesc cilindrul prin supapa de evacuare,



Figura 1 ilustreaza locatia pistonului in interiorul cilindrului, specifica fiecarei timp.

Fig. 1. Schema functionarii motorului in patru timpi

- motor in doi timpi ( = 2), la care ciclul de functionare se realizeaza in doua curse alepistonului (o rotatie a arborelui cotit).e pastreaza timpii principali de comprimare si destindere,comuni tututror motoarelor termice, lipsind timpii de evacuare si admisie ca timpi independenti.Aseste doua procese sunt inlocuite prin faze de scurta durata, la sfarsitul cursei de destindere siinceputul cursei de comprimare.

b) Dupa modul de aprindere a amestecului carburant:- motor cu aprindere prin scanteie (MAS)

Motoare cu arindere prin scanteie – aprinderea combustibilului usor volatil se face de la o sursaexterioara, in mod provocat. Motoarele de acest tip functioneaza dupa ciclul termodinamic Ottosau Beau de Rochas. Acestea se numesc impropriu motoare de explozie, deoarece arderea nu arecaracterul unei unde explozive, viteza de propagare a flacarii fiind de ordinul a 15.....30m/s.

- motor cu aprindere prin compresie (MAC)

Motoare cu aprindere prin comprimara- aspira aer proaspat pe care il comprima pana latemperaturi si presiuni ridicate; combustibilulul pulverizat in masa de aer cald se autoaprinde.Motoarele cu aprindere prin compresie functioneaza dupa ciclul termodinamic Diesel.

c) Dupa numarul de cilindri:- motoare monocilindrice- motoare policilindrice, cu cilindrii dispusi in linie, in “V”, in stea, etc.

Clasificarea motoarelor cu ardere interna dupa domeniul de aplicatie este surprinsa in tabelul 1.



Tabel 1. Clasificarea motoarelor cu ardere interna functie de domeniul de aplicatie.

Se definesc: Punct mort interior (PMI) denumit si punct mort superior- este pozitia pistonului care

corespunde volumului minim ocupat de fluidul motor in cilindru (eng. top dead center). Punct mort exterior (PME) denumit si punct mort inferior - este pozitia pistonului care

corespunde volumului maxim ocupat de fluidul motor in cilindru (bottom dead center)

Fig.2. Ilustratie PMI,PMS, cursa, alezaj

Cursa pistonului (S) (eng.stroke) Cursa pistonului este marimea distantei dintre punctulmort interior si punctul mort exterior,.

Alezajul cilindrului (D) (eng. bore) Alezajul este diametrul interior al cilindrului motor.



Volumul camera de ardere (Vmin) denumit si spatiu mort (eng. clearance volume)-estevolumul minim din cilindru cand pistonul se afla in pmi (pms).

Volum util al cilindrului sau cilindreea unitara (Vc)- (eng. displacement volume)-reprezinta volumul descris de piston intre pmi si pme.

S4DVVV

2

minmaxc ; iar

1VV c

1 , (1)

unde D este diametrul cilindrului, iar S cursa pistonului.

Volum total al cindrului (Vmax)- Volumul total al cilindrului este spatiul total din cilindrumasurat in momentul cand pistonul se afla la punctul mort exterior ;volumul total alcilindrului este format din insumarea volumului util al cilindrului cu volumul camerei deardere.

Capacitate cilindrica (Vt) denumita cilindree sau litraj- suma volumelor utile ale tuturorcilindrilor unui motor exprimata in centimetri cubi sau litri.

Raport de compresie (ε)- unul din parametrii cei mai importanti ai ciclului temodinamic almotoarelor cu ardere interna cu piston este raportul de compresie , definit prin raportuldintre volumul maxim si volumul minim, delimitate de piston in miscarea sa alternanta(fig.1):

2

1

min

maxVV

VV

(2)

Fig. 3 . Cilindreea si volumul camerei de ardere unui motor cu ardere interna

7.2 Ciclurile termodinamice ale motoarelor cu ardere interna cu piston

7. 2.1 Ciclul teoretic al motoarelor cu aprindere prin scanteie (MAS-OTTO)

Ciclul teoretic al motorului cu aprindere prin scanteie este ciclul Otto sau Beau deRochas. O comparatie intre ciclul real si cel teoretic al motoarelor cu aprindere prin scanteie,reprezentat in diagrama p-V se poate observa in figura 4:



Fig.4. Diagrama indicata si ciclul teoretic aul unui motor cu aprindere prin scanteie indiagrama p-V

a) b)Fig. 5. Ciclul termodinamic al motorului

cu aprindere prin scanteie in diagramele p-V(a) si T-s (b)

- 1-2 comprimarea adiabata a agentului de lucru, de la volumul maxim Vmax =V1,delimitat de piston aflat in p.m.e., pana la volumul minim Vmin=V2, corespunzatorvolumului camerei de ardere al ciclul real. Acest proces este caracterizat prin raportul decomprimare .

- 2-3 ardere izocora are loc aportul de caldura Q23, proces echivalent producerii calduriiprin ardere. Prin definitie raportul de crestere a presiunii la incalzirea izocora, , este:

pp

3

2

, (3)

- 3-4 destinderea adiabata este procesul in care are loc transformarea caldurii in lucrumecanic, reprezinta portiunea utila din ciclu.

V

4

3

2

Q41

Q23

0 1

p

Vmin Vmax

Vc

3

2

1

Q23

Q4141

0S

T

4

L3441

L1241



- Ciclul se inchide prin racirea izocora 4-1, similara cu evacuarea gazelor de ardere.7

Pentru a determina marimile caracteristice ale ciclului se calculeaza valorile parametrilorde stare in punctele caracteristice ale ciclului, considerand cunoscuta temperatura punctuluiinitial T1=Tma, precum si parametrii si .

din ecuatia adiabatei 1-2 se determina temperatura la finalul procesului decomprimare:

1k22

1k11 VTVT rezulta 1k

11k2

1k1

12 TVVTT

; 1k

12 TT

aplicand legea lui Charles pentru transformarea 2-3 se obtine temperatura lafinalul arderii:

3

3

2

2Tp

Tp rezulta

2

2

323 T

ppTT ; ]K[TTT 1k

123 ;

3-4 este o transformare adiabata iar V4=V1, rezulta T4=T1.

1k44

1k33 VTVT ; KT

T

V

VTT 11k

31k

4

1k3

34

Cu aceste valori se pot calcula caldurile schimbate si lucrul mecanic produs de agentulde lucru intr-un ciclu motor:

J1Tcm)TT(cmQQ 1k1v23v23sc (4) J1Tcm)TT(cmQQ 1v14v41sr (5)

J11TcmQQL 1k1vsrsc (6)

Randamentul termic al motorului cu ardere la volum constant este:

1k1k

1v

1k1v

sct

111Tcm

11TcmQ

L

(7)

Se observa ca: lucrul mecanic, deci si puterea, se poate imbunatati prin marirea cilindreei, a presiuniiinitiale, a raportului de comprimare si a raportului , adica a caldurii rezultate prin ardere,prin cresterea consumului de combustibil. randamentul termic depinde in cea mai mare masura de raportul de comprimare. Deasemenea este influentat de natura agentului de lucru prin indicele adiabatic k.

Se recomanda = 4-12, valoarea maxima fiind limitata superior pentru ca la ciclul real,apare pericolul arderii cu detonatie.

7.2.2 Ciclul teoretic al motoarelor cu ardere la presiune constanta

Ciclul teoretic al motorului cu ardere la presiune constanta (ciclul Diesel-lent) secompune din doua adiabate, o izobara si o izocora (fig.2). Dupa acest ciclu functioneazamotoarele cu aprindere prin comprimare.Arderea e treptata, pe masura injectiei de combustibil,de unde si caracterul izobar al acestuia.



a) b)Fig. 6. Ciclul termodinamic al motoarelor cu aprindere prin comprimare

in diagramele p-V (a) si T-s (b)- 1-2 comprimare adiabata pana la temperatura de autoaprindere a motorinei.

- pe izobara 2-3 are loc aportul de caldura Q23, echivalenta caldurii produse prin ardere.Pentru a defini conditiile de schimb de energie dintre sistem si mediul exterior seintroduce raportul de crestere a volumului la incalzirea izobarq , numit si grad deinjecie:

2

3VV (8)

- prin destinderea adiabata 3-4 se produce lucru mecanic;

- iar ciclul se inchide prin racirea izocora 4-1.

Pentru a determina marimile caracteristice ale ciclului se calculeaza si in acest cazvalorile parametrilor de stare in punctele caracteristice ale ciclului, considerand cunoscutatemperatura punctului initial T1=Tma, precum si parametrii si .

din ecuatia adiabatei 1-2 se determina temperatura la finalul procesului decomprimare:

1k22

1k11 VTVT rezulta 1k

11k2

1k1

12 TVVTT

; 1k

12 TT

aplicand legea lui Boyle-Mariotte pentru transformarea 2-3 se obtine temperaturala finalul arderii:

3

3

2

2TV

TV rezulta

2

2

323 T

VVT

T ; ]K[TTT 1k123 ;

temperatura agentului de lucru la finalul destinderii adiabate:

1k44

1k33 VTVT ; K1T

VV

VV

TV

VTT

1k1k

1

1k

2

2

1

331k

4

1k3

34

KTT k14

4

32

Q41

Q23

0 1

p

Va Vc V

4

3

2

1

Q23

Q410 S

T



Cu aceste valori se pot calcula caldurile schimbate si lucrul mecanic produs de agentulde lucru intr-un ciclu motor:

J)1(Tcm)TT(cmQQ 1k1p23p23sc (9)

J1Tcm)TT(cmQQ k1v14v41sr (10)

J1Tcm)1(TcmQQL k1v

1k1psrsc (11)

Randamentul termic al motorului cu ardere la presiune constant este:

)1(k

11)1(

1k1)1(

)1(Tcm

1Tcm)1(Tcm

QL

1k

k

1k

k1k

1k1p

k1v

1k1p

sct

(12)

Din analiza rezultatelor de mai sus, se observa ca: lucrul mecanic se poate imbunatati prin marirea cilindreei, a presiunii initiale, araportului de comprimare si a gradului de injectie . randamentul termic este influentat in mod determinant de raportul de comprimare si deindicele adiabatic k. Cu marirea lui pana la anumite valori, randamentul create apreciabil .

7.2.3. Ciclul teoretic al motoarelor cu ardere mixta

Ciclul teoretic al motorului cu ardere mixta (ciclul Diesel-rapid) se deosebeste de celeprecedente prin faptul ca aportul de caldura are loc atat la volum constant cat si la presiuneconstanta. Acest ciclu teoretic se compune din doua adiabate, o izobara si doua izocoreMotoarele care functioneaza dupa acest ciclu sunt cu aprindere prin comprimare. Gradul deinjectie , care cu notatiile din figura 7 are expresia:

VV

4

3

. (13)

a) b)Fig.7 .Ciclul termodinamic al motorului cu ardere mixta in diagramele p-V (a) si T-s (b)

5

43

2

Q51

Q34

Q23

0 1

p

Vc

V

5

43

2

Q34

Q510 S

TQ2323

1c

1



Temperaturile in punctele caracteristice ale ciclului sunt :T2=k-1T1 ; T3=k-1T1 ; T4=k-1 T1 si T5=kT1.

Se obtin urmatoarele relatii pentru schimbul de energie: Q Q Q mc T k Jsc v

k 23 34 1

1 1 1 (14)

Q Q mc T Jsr vk 51 1 1 (15)

L Vp

kkc

k k

1 1

1 1 11 1 (16)

Randamentul termic :

t k

k

k

1 1 1

1 11 (17)

7.3 Parametrii caracteristici motoarelor cu ardere interna

Puterea dezvoltata de motorul cu ardere interna- Puterea teoretica:

Pentru un motor cu ardere interna cu i cilindri, avand turatia nr, puterea teoretica este datade relatia:

]kW[NiLP cunde numarul de cicluri efectuate intr-o secunda de fiecare cilindru, Nc:

]s/ciclurinr[2/60

nN r

c unde τ – timpi ai motorului

- Puterea indicata. Randamentul indicatPuterea indicata a motorului este exprimata prin relatia:

]kW[NiLP cii

unde lucrul mecanic indicat Li se obtine prin planimetrarea ariei indicate- rezulta prindiferenta dintre aria buclei pozitive si aria buclei mici negative.

- Raportul dintre lucrul mecanic indicat si cilindreea unitara poarta numele de presiunemedie indicata si reprezinta unul din principalii parametri care evidentiazaperformantele motorului.

c

imi V

Lp

Puterea medie indicata exprimata in functie de presiunea medie indicata este:

]kW[NiVpP ccmii



- Randamentul indicat poate fi exprimat ca raport dintre lucrul mecanic indicat sicantitatea de caldura preluata de la sursa calda :

QscLi

- Raportul dintre lucrul mecanic indicat si cel teoretic poarta numele de randamentrelativ:

LtLi

r

- Puterea efectiva- este puterea furnizata de motor consumatorului de putere. La mers ingol puterea efectiva este zero. Diferenta dintre Pi si Pef reprezinta consumul propriu deenergie al motorului pentru antrenarea sistemelor auxiliare si invingerea frecarilor.

- Consumul de combustibil- Cantitatea de combustibil consumata de motor pentruefectuarea unui ciclu este data de raportul dintre cantitatea de caldura primita in cursularderii si puterea calorica inferioara a combustibilului utilizat (Hi).

-

- Consumul orar de combustibil- se obtine cunoscand consumul de combustibil, denumarul de cicluri efectuate intr-o ora si de numarul de cilindri ai motorului.

hkgnriCCh /

2

601

1CP = 0.745 kW

1kW=1.34 CP

APLICATIESa se efectueze calculul termic al ciclului unui motor cu ardere mixta, in patru timpiavand alezajul de 110 mm, cursa de 130 mm si raportul de comprimare 17. Motorul are 4cilindri in linie si functioneaza la turatia de 2500 rpm.

Se considera ca agentul termic este un gaz perfect cu proprietatile aerului, R= 287 J/kgK,k=1.4. Presiunea de aspiratie este de 0.9 bar iar temperatura 300C.

Raportul de crestere al presiunii este de 1.3, iar gradul de injectie este 1.7. Randamentulrelativ este de 0.78 iar puterea calorifica inferioara a motorinei este de 41855 kJ/kg.

HiQscC1

termotehnica motoare cu ardere interna

Documents

Transcript of termotehnica motoare cu ardere interna