Calculul termic - motor cu ardere interna

Calculul termic - motor cu ardere interna

Ciclul motor pentru un motor cu ardere interna cu admisie normala este prezentat in diagrama indicata p-V.

Forma diagramei indicate:

volumul dislocat de piston in timpul unei curse.

volumul camerei

volumul total

a-inceputul admisiei

s-scinteia

i-injectia (intarzierea aprinderi)

d-faza arderi rapide

e-faza arderii izobare (se atinge temperatura maxima)

f-faza arderii izoterme (temperatura ramane constanta)

1 Obiectivele calculului termic

Calculul termic al motoarelor cu ardere interna are ca scop determinarea marimilor de stare ale fluidului motor pentru trasarea diagramei indicate pornind de la urmatoarele date de intrare: tip motor, putere nominala, turatie la putere nominala, numar de cilindri. Cu ajutorul calculului termic se pot determina: alezajul, cursa pistonului, unii parametrii caracteristici, ca de exemplu puterea si economicitatea

Obiectivele calculului termic sunt determinarea marimilor de stare (presiune (p), volum (V), temperatura (T)) ale fluidului de lucru in puncte caracteristice ale ciclului motor.

Punctele caracteristice sunt:

punctul de sfarsit al procesului de admisie;

inceputul procesului de ardere;

presiunea maxima pe ciclu;

presiunea la sfarsitul procesului de ardere;

presiunea de evacuare.

Calculul termic porneste din momentul in care pistonul se afla in PMI la inceputul procesului de ardere punctul (a).

Parametri de stare in punctul a sunt:

Temperatura de evacuare Pr ;

Temperatura gazelor reziduale Tr ;

Volumul minim al camerei de ardere Vc ;

fig 1

In care:

r-a este proces de admisie

a-d este procesul de comprimare

d-z este ardere izocora― se considera o variatie limita a presiunii

z-z' este ardere izobara (p=ct)

z'-t este ardere izoterma (t=ct)

t-u este proces de destindere

u'-r este proces de evacuare

Calculul procesului de schimbare a gazelor pentru motor cu admisie normala

Parametri initiali pentru calculul termic:

Ceilalti parametri se aleg pe baza datelor statistice:

Temperatura gazelor reziduale Tr;

Coeficientul de exces de aer ;

Raportul de comprimare

Tab 2

Se allege:

T₀ - presiunea aerului in conditii normale de stare

To =288 . 293K;

Se adopta To =288K;

P_o - presiunea aerului in conditii normalede stare

P_o=0 [MPa]=1 [bar];-

- gradul de incalzire al fluidului de la peretii calzi ai traseului de admisiune

1,06 . 1,15 conform [Tabel 5, pag 98]

Se adopta

k_a- exponent adiabatic la aerului

k_a=1,4 ;

- raportul de comprimare

R_a - constanta specifica a aerului

R_a = 287

_fp - coeficientul de exces de aer

_fp

_fp

a_fp - viteza de propagare a sunetului in fluidul proaspat, in

a_fp =

a_fp =

a_fp = 340,17

T_e = 1000 [

P_e = 0,12

- coeficientul global al rezistentei gazodinamice a traseului de admisie

= 6

D/d_a = 2,6

α_a = 230⁰ RA

W_p - viteza medie a pistonului, in

W_p = = 9,1 (1.)

_sa - coeficientul de debit al sectiuni oferite de supapa de admisie ;

_sa

_sa

SL - sectiunea litrica a orificiului controlat de supapa de admisie, in

SL = (5 . 15)*10^-4  ;

SL = 7*10^-4  ;

Calculul gradului de umplere η_v

Pentru determinarea gradului de umplere η_v, se porneste de la ecuatia implicita

=

η_v

Calculul presiunii fluidului proaspat din cilindru la sfarsitul cursei de admisie, p_a [MPa]

p_a =[MPa]   

p_a =

p_a = 0,078 [MPa]

Se recomanda p_a = 0,07 . 0,09 [MPa]

Calculul coeficientului gazelor reziduale, γ_r

γ_r

γ_r

γ_r

.3 Calculul procesului de comprimare .

Presiunea fluidului de lucru la sfirsitul cursei de comprimare (p.m.i) in cazul ciclului fara ardere:

p_c=3 . 5,5 MPa pentru M.A.C cu admisia normala

nc-exponent politropic al procesului de comprimare

Temperatura la sfirsitul procesului de comprimare:

Tc=700 . 950 [] pentru M.A.C cu admisia normala

Presiunea din cilindru corespunzatoare punctului d, p_d [MPa]

_d - unghiul de deschidere a curbei de presiune, in [⁰RA]

_d 345 . 360 [⁰RA]

Se adopta  _d = 348 [⁰RA] ;

a = 0,896*10^-4

P_d = 

P_d =

P_d = 2,876 [MPa]

Temperatura din cilindru corespunzatoare punctului d, T_d [K]

T_d  ;

T_d = 816 [K]

P_z = 7 [MPa]

Presiunea in p.m.i, p_c [MPa]

- presiunea care creste liniar cu o viteza de crestere a presiunii constanta intre punctele d-c, respectiv d-z

P_c = P_d + (360 - α_d) [MPa]

Pc= 2,87 +0,24 (360 - 348)

P_c = 5,75 [MPa]

P_z = P_c + (α_z

P_z= 5,75 +0,24 (365 - 360)

P_z = 6,95

Rapoarte volumice δ_d, δ_z

δ_d =

δ_d

δ_d =

δ_d

sau

δ_z =

δ_z

δ_z =

δ_z

Exponentii primei faze a procesului de ardere m_d-c, m_c-y

m_d-c=

m_d-c =

m_d-c = 3, 5046

m_d-c = 3,5046

m_c-z= 

m_c-z=

m_c-z

Temperatura fluidului in p.m.i, Tc [K]

Tc=

Tc=1341 K

Tc = 1341 K

4.Calculul procesului de ardere:

Se bazeaza pe urmatoarele ipoteze :

- in timpul procesului de ardere au loc variatii ale componentelor chimice ale fluidului motor ;

- caldura specifica la volum constant ale fluidului motor variaza in functie de temperatura acestuia ;

- au loc pierderi de caldura prin peretii cilindrului ;

Calculul procesului de ardere se face pentru 1 Kg de combustibil.

Cantitatea minima de aer necesara pentru arderea unui kg de combustibil:

Pentru MAC:

c=0,857 kg;

h=0.133 kg ;

o=0.01 kg ;

c,o,h-cantitatea de carbon ,hidrgen si oxigen dintr-un kg de combustibil;

Cantitatea de fluid proaspat ce patrunde in cilindru pentru un kg de combustibil:

Cazul II arderea complet teoretica :

Numarul de kmoli de monoxid de carbon din gazele de ardere, [Kmol]

[Kmol]

Numarul de kilomoli de H₂O:

Numarul de kilomoli de O₂:

Numarul de kilomoli de N₂:

Numarul de [kmoli] de substanta rezultati din arderea unui [Kg] de combustibil

Coeficientul de variatie molar este raportul chimic dintre numarul de kilomoli de fluid proaspat si numarul de kilomoli de gaze rezultate in urma arderi.

Coeficientul chimic al variatie molare totale

Temperatura fluidului la sfarsitul primei etape a arderii, T_y [K]

[K]

T_y = 1572 [K]

Caldura specifica a amestecului initial, [kj/kmol*K]

Puterea calorica inferioara pentru motorina:

Q_i=41.850

Pentru

Q_in -caldura specifica in arderea incompleta.

Q_dis-caldura disponibila.

coeficient de utilizare a calduri.

Q_dis=

Q_dis=

Pentru avem:

Caldura specifica medie la volum constant [ kj/kmol*K]

=

=26,663 [Kj/Kg*K]

=21,718 [Kj/Kg*K]

Caldura degajata in prima faza a arderii, Q_dt

=16894 Kj/Kg

Caldura utila degajata prin arderea in conditii reale a unui kg de combustibil Q_m,[Kj/Kg]

Q_M=ξ_v * Q_i [Kj/Kg]

ξ_v

Se adopta ξ_v

Q_M= 0,88 * 4185O

Q_M= 36828

Fractiune din caldura utila care se degaja in prima faza a arderii, _v

ξ_v= ==0,34

Caldura specifica medie la presiune constanta a gazelor de ardere pe intervalul de temperatura T₀-T_z

==1,365

Unghiulde manivela corespunzator sfarsitului fazei de ardere izobara, _z', [⁰RA]

[⁰RA]

Unghiul de manivela corespunzator sfarsitului fazei de ardere izoterma, _t [⁰RA]

α_z -α_z = 520 [⁰RA]

α_t = 380 . 400 [⁰RA]

α_z -α_z =376,5-365=11,5 [⁰RA]

Tz' = Tt

Tt = 2146 [⁰RA]

Presiunea corespinzatoare punctului z, P_z [MPa]

Pz'= Pz , deoarece portiunea zz' arderea este izobara

Pz = 6,95[MPa]

Presiunea la sfarsitul procesului de ardere (punctul t), Pt [MPa]

[MPa] (3.15)

5 Calculul procesului de destindere

Destinderea este procedeul in care fluidul motor cedeaza energie pistonului. Calculul se face in ipoteza ca procesul este o transformare termodinamica politropica cu un exponent politropic m_d constant.

m_d - exponent politropic al procesului de destindere

m_d = 1,2 . 1,3

m_d = 1,3

Presiunea din cilidru corespunzatoare punctului b, P_b [MPa]

Temperatura din cilindru corespunzatoare punctului b, Tb [K]

Fig. 5. Diagrama indicata p-v

6. Determinarea dimensiunilor fundamentale ale motorului si calculul indicilor de performanta

_di - coeficientul de rotunjire a diagramei indicate

_di

Se adopta :

_di

Presiunea medie indicata pentru motor cu admisie normala , P_i [MPa]

P_i =0,905 [MPa]

Presiunea medie efectiva Pe, [MPa]

pentru MAC

Cilindreia unitara a motorului

-puterea maxima.

=42 [KW].

-numarul de timpi ai motorului.

persiunea medie efectiva

i-numarul de cilindri ai motorului.

i=4

n-turatia motorului.

n=3100 [rot/min].

Volumul minim si maxim al camerei de ardere:

Vc-volumul minim al camerei de ardere.

Va- volumul maxim al camerei de ardere.

Cilindreeia totala:

Randamentul indicat al motorului,

Randamentul efectiv al motorului,

Consumul specific indicat al motorului C_i

Consumul specific efectiv al motorului C_e

Puterea litrica a motorului P_l,