Motoare Cu Ardere Interna [PDF]

Zitiervorschau

11 MOTOARE CU ARDERE INTERNA 11.1 Notiuni generale Motoarele cu ardere interna sunt masini termice care produc un lucru mecanic pe baza caldurii dezvoltate in procesul arderii unui combustibil.Spre deosebire de motoarele cu ardere externa (masini si turbine cu abur si gaze) la care arderea combustibilului si degajarea de caldura au loc in afara motorului(in focarele cazanulelor sau in camrea de ardere),la motooarele cu ardere interna caldura este obtinuta in interiorul masinii. Constructia lor este extrem de variata,distingandu-se in general ,urmatoarele piese componente:

1- Cilindru; 2- chiulasa ; 3-galeria de admisie; 4-galeria de evacuare ; 5piston ; 6- biela; 7- manivela ;8- carter; 9- baia de ulei ;10-bujie; 11-arbore cotit; SA – supapa de admisie;SE – supapa de evacuare Aceasta constructie corespunde unui motor in patru timpuri cu cilindrul,chiulasa si talgerele supapelor delimiteaza camera de ardere. Miscarea de dute-vino a pistonului se face intre punctul mort intern PMI si punctul erxtern PME,distanta dintre aceste doua puncte definind cursa s a pistonului .Constructiv cursa s este aproximativ egala cu diametrul interior al cilindrului.Transformarea miscarii rectilinii a pistonului in miscare de rotatie a arborelui cotit se realizeaza cu ajutorulu mecanismului biela-manivela.

Clasificarea motoarelor cu ardere interna se face din diverse puncte de vedere. a) Dupa numarul de timpi,motoarele se impart in: -motoare in patru timpi,la care arborele cotit efectueaza doua rotatii pentru ca motorul sa parcurga un ciclu. cei patru timpi sunt admisia ,compresia,destinderea ,evacuarea -motoare in doi timpi la care arborele cotit efectueaza o rotatie pentru ca motorul sa parcurga un ciclu termodinamic;cei doi timpi sunt conventionali:admia cuplata cu compresia si destinderea urmata de evacuare b) Dupa felul in care se realizeaza procesul procesul de ardere ciclurile termodinamice ale motoarelor se impart in trei grupe : -ciclu cu aredere izocora (ciclu Otto sa Beam de Rochas),rapida,la care arderea are loc prin aprinedrea amestecului combustibil printr-o scanteie,iar motoarele se numesc cu aprindere prin scanteie(m.a.s). -ciclu cu ardere izobara (ciclu Diesel),lenta la care arderea are loc prin autoaprinderea combustibilului ca urmare a temperaturii aerului comprimat din cilindru ,superioara oalei de autoaprindere a combustibilului repectiv,aceste motoare se numesc motoare cu aprindere prin compresia (m.a.c) -ciclu cu ardere mixta (ciclu Trinkler,sau Sabathe),izocora si izobara,la care procesul de ardere are loc initial izocor apoi izobar ;se mai numesc cicluri Diesel rapide. Pnetru a studia teoretic aspectul termodinamic al proceselor din motor,se admit o serie de ipoteze: -gazul care evolueaza in cilindru (IN REALITATE UN AMESTEC DE GAZE )se considera gaz perfect. -pe intreaga durata a ciclului caldura specifica a gazului este constanta -in timpul evolutiei in motor gazul nu-si schimba compozitia -gazul ce evolueza ramne invariabil cantitativ si anume 1 kg -procesele cantitative de umplere si evacuare a cilindrului sunt eliminate -toate transformarile termodinamice efectuate de gaz sunt reversibile si cvasistatice si ca urmare si ciclul este reversibil -se exclude examinarea procesului de ardere ,acesta fiind considerat in raport de caldura din exterior

-se inlocuieste evacuarea libera a gazelor din cilindru cu un proces izocor de racire -se presupune ca evolutiile de comprimare si destindere sunt adiabateizentrope

11.2 CICLURILE TEORETICE ALE MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA 11.2.1 MOTORUL CU ARDERE IZOCORA IN PATRU TIMPI. Procesele care au loc intr-un astfel de motor sunt reprezentate intr-o diagrama p-v ca in figura 11.2.

Fie pistonul in PMI .Supapa de evacuare este inchisa si cea de admisie deschisa. Evolutia izobara v-a reprezinta procesul de admisie al amestecului proaspat (aer si combustibil) in cilindru. Evolutia a-c reprezinta procesul de compresie adiabata a amestecului.Procesul de ardere (care in realitate se desfasoara in timp) este inlocuit prin evolutia izocora c-y in care gazul primeste de la sursa calda cantitatea de caldura q v .O astfel de schematizare a procesului real presupune ca la sfarsitul cursei de compresie ,in punctul c,se produce scanteia si amestecul se aprinde fara intarziere si arde instantaneu.Cursa motoare este destinarea gazelor ,reprezentata ,prin evolutia adiabata y-b.Destinderea gazelor in cilindru nu se efectueaza complet (pana la presiunea atmosferica p0)din care cauza ea se numeste destindere trunchiata.In punctul b se deschide supapa de evacuare .Evacuarea gazelor este rezultatul a doua procese: -proceul de evacuare libera ,care se realizeaza datorita diferentei de presiune a gazelor din cilindru si mediul exterior ,procesul este descris prin evolutia izocora b-

a.Din punct de vedere termodinamic pe evolutia b-a agentul motor cedeaza caldura qe sursei reci. -procesul de evacuare fortata care se realizeaza prin deplasarea pistonului de la PME la PMI,obligand gazele arse sa paraseasca cilindrul ,procesul este descris prin evolutia a-v si teoretic are loc la presiunea mediului ambiant , cu care comunica cilindrul prin supapa de evacure care este deschisa. Evolutile de admisie (v-a) si de evacuare (a-v) nu reprezinta transformari termodinamice propriu zise ,intrucat in desfasurarea lor atit presiunea cat si temperatura gazului sunt constante. Cantitatea de gaz din cilindru insa schimba si ele sint deci transformari cantitative .Lipsa modificari marimilor de stare ale gazului pe aceste evolutii pe eliminarea din ciclu a proceselor de admisie si evacuare. Lucrul mecanic dezvoltat si consumat pe aceste evoluti este egal si de semn contrar,ceea ce nu afecteeaza lucru mecanic al intregului ciclu. Ciclul termodinamic reversibil cu ardere izocora in patru timpi este reprezentant numai de evolutiile adiabate a-c si y-b si de evolutiile izocore c-y si ba. 11.2.2 Motorul cu ardere izobara in patru timpi Ciclul cu ardere izobara este reprezentet intre diagrama p-v ca in fig 11.3

Dupa efectuarea admisiei v-a aerul este comprimat adiabat dupa evolutia a-c .Aderea combustibilului aduce in ciclu caldura q p ,la presiune constanata ,pe evolutia c-z. Procesul real de ardere este schmatizat asfel :in punctul e incepe injectarea de combustibil ;acesta se aprinde imediat si arde pe masura ce este injectat.Drept consecinsa a raporului de caldura datorat arderii presiunea in cilindru ar trebui sa creasca.Pe de alta parte ,prin deplasarea pistonului de la PMI spre PME ,ca urmare a destinderii ,volumul gazului creste si presiunea ar trebui sa scada. In ansamblu se

presupune ca cele doua tendinte opuse,de crestere si de scadere a presiunii sunt echivalente,astfel incat presiunea gazului din cilindru ramane constanta. Procesul de destindere este considerat ca fiind format din doua evolutii: -evolutia c-z ,care reprezinta o destindere prealabila a agentului motor -evolutia z-b ,care reprezinta adiabata propriu zisa de destindere Procesul de evacuare este identic cu cel al ciclului cu ardere izocora. Pe baza celor mentionate ,ciclul termodinamic va fi format din evolutiile adiabate a-c si z-b,evolutia izobara c-z, cand gazul primeste caldura q p si izocora b-a prin care se cedeaza sursei reci cantitatea de caldura q e.

11.2.3 Motorul cu ardere mixta in patru timpi In fig.11.2 este reprezentat ciclul cu ardere mixta al unui motor in patru timpi. Arderea combustibilului este inlocuita cu evolutiile termodinamice c-y si y-z prin care se comunica agentului motro cantitatiile de caldura q v(la volum constant) si qp (la presiune constanta).La un astfel de motor injectarea combustibilului dureaza pana in punctul z. De la introducerea combustibilului in cilindru ; in PMI si pana la aprinderea lui se acumuleaza in cilindru o parte din combustibil injectat ,care dupa aprindere arde violent (instantaneu).Procesul este reprezentat prin izocora c-y.Injectarea de combustibil continua insa pana in z ,iar combustibilul injectat arde progresiv in evolutia izobara y-z pe masura introducerii sale in cilindru. Procesele de destindere si evacuare sunt la fel ca in cazurile precedente. 11.3 RANDAMENTUL TERMODINAMIC SI LUCRUL MECANC AI CICLURILOR MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA. 11.3.1 Ciclu cu ardere izocora Ciclul este compus din patru transformari termodianmice (fig.11.2) Parametrul constructive care caracterizeaza ciclul unui motor cu ardere interna este raportul compresie Ɛ ,care prin definitie este raportul dintre volumul total al cilindrului motorului Va volumul camerei de compresie denumita si de ardere Vc Deci : Ɛ=

El reprezinta raportul dintre presiunea maxima a cilindrului si presiunea la sfarsitul procesului de comprimare .Acest parametru prinde de caldura q v introdusa in ciclu si deci de el depinde lucrul mechanic dezvoltat de motor. Se considera cunoscuti parametrii initiali ai aerului amestecat cu vapori de benzina ,considerate parametric initiali ai aerului amestecat P a Ta Va .Deoarece prin ipoteza in ciclu evolueaza 1 kg de aer ,exista egalitatea v=V (v x1kg=V) Pentru compresia adiabatica a-c avem:

Pc =Pa

Tc =Ta

Vc Parametri gazului in punctul Y rezulta din ecuatia izocorei Vc=Vy ;deci =

=λ

Astfel incat:

(11.2.) Pentru evoluţia adiabatica y-b se obţin ecuaţiile:

Înlocuind în aceste relaţii valorile găsite anterior pentru py şi Ty:

(11.3.) Randamentul termodinamic ηt al ciclului reversibil cu ardere izocoră este dat de relaţia: (11.4.) unde: lt = lucrul mecanic al ciclului qv = cantitatea de căldură primită de agentul motor în evoluţia izocoră de ardere c-y qe = cantitatea de căldură cedată sursei reci în evoluţia izocoră de evacuare liberă b-a Ţinând cont că:

rezultă: (11.5.) sau

Expresia (11.5.) arată randamentul termodinamic al ciclului cu ardere izocoră depinde numai de raportul de compresie ε. Dacă se reprezintă variaţia randamentului termic în funcţie de ε (fig.15.) se observă că ηt creşte repede cu raportul de comprimare ε pentru valori mici ale lui (ε = 1...10), dar pentru valori mai mari (ε >10) creşterea randamentului devine tot mai puţin însemnată. Valori prea ridicate ale lui ε conduc la apariţia unui fenomen care a primit numele de detonaţie. Fenomenul de detonaţie constă în aprinderea

explozivă a ultimei părţi din amestecul combustibil aflat în cilindru, înainte ca această parte să fi fost străbătută de frontul de flacără. Detonaţia produce supraîncălzirea motorului, reduce puterea şi determină o funcţionare brutală a lui (zgomot, şoc). Fenomenul de deetonaţia s-a dovedit a fi extrem de dăunător motorului din care cauză el trebuie evitat. Fenomenul de ndetonaţie constituie principala limitare a raportului de compresie. Lucrul mecanic teoretic dezvoltat de ciclu poate fi exprimat prin relaţia: (11.6.) Creşterea cantităţii de căldură qv dată ciclului duce la mărirea lui λ şi deci a lucrului mecanic. 11.3.2. Ciclul cu ardere izobară Ciclul cu ardere izobară (fig.11.3.) este compus din patru transformări. Unul din parametrii caracteristici va fi tot cel constructiv, gradul de compresie ε, iar al doilea, exploatare este gradul de injecţie (sau raport de destindere prealabilă),

, dat de relaţia:

(11.7.) Mărimile de stare ale punctului a (pa, Ta, va) sunt cunoscute întrucât reprezintă condiţiile de stare ale mediului ambiant. Evoluţia a-c reprezintă o transformare adiabat-izontropă, deci parametrii de stare în punctul c vor fi:

(11.8.) Pentru izobara c-z pc =pz sau

, deci

(11.9.) Parametrii de stare ai punctului b se determină cu ajutorul ecuaţiilor transformării adiabate z-b:

Dar

În funcţie de condiţiile iniţiale se obţine:

(11.10.) Randamentul termodinamic al ciclului teoretic este dat de relaţia: (11.11.) unde: lt = lucrul mecanic dezvoltat de ciclu qp = cp(Tz - Tc) = căldura primită pe izobara c-z |qe| = cv(Tb – Ta) = căldura evacuată pe izocora b-a cp, cv fiind căldurile specifice la presiune şi volum constant ale aerului

deci (11.12.) Neglijând influenţa agentului motor (k=const) randamentul termic devine o funcţie de doi parametrii

.

Notând cu C raportul

randamentul termic devine:

(11.13.) Concluziile menţionate la ciclul cu ardere izobară, privitoare la influenţa favorabilă a gradului de compresie ε asupra randamentului, rămân valabile şo i pentru acest ciclu. Influenţa raportului de destindere prealabilă ρ (gradul de injecţie) asupra randamentului, este pusă în evidenţă de termenul C. Întrucât numărătorul este o parabolă, iar numitorul variază liniar cu ρ, rezultă că odată cu creşterea gradului de injecţie ρ, fracţia creşte şi deci randamentul scade. Lucrul mecanic al ciclului este (11.14.) Creşterea cantităţii de căldură qp primită pe izobara c-z, deci intrată în ciclu, duce la mărirea lucrului mecanic produs. 11.3.3. Ciclul cu ardere mixtă Aportul de căldură în ciclu se realizează parţial la volum constant şi parţial la presiune constantă. Ciclul se realizează prin cinci transformări (fig.11.4.). Observaţiile prezentate la

stadiul ciclurilor precedente, cu privire la alegerea parametrilor independenţi se menţin şi în acest caz. Parametrii caracteristici ai acestui tip de motor sunt ε, λ, ρ. Condiţiile iniţiale de stare, respectiv pa, Ta, va, sunt cunoscute fiind ale mediului ambiant. Parametrii la sfârşitul fazei de compresie (11.15.) Mărimile de stare ale punctului y se determină din ecuaţia izocorei c-z:

(11.16.) Mărimile de stare ale punctului z se determină din ecuaţia izobarei y-z:

(11.17.) Mărimile de stare ale punctului b se determină din ecuaţia adiabatei z-b:

(11.18.) Expresia randamentului termic este:

sau

(11.19.) Rezultă că pentru k = const ηt = f(ε, λ, ρ). Relaţia lui ηt pentru ciclul mixt cuprinde cazurile particulare ale celorlalte cicluri: - pentru ciclul cu ardere izocoră ρ = 1 şi

-

pentru ciclul cu ardere izobară λ = 1 şi

Pentru λ = const şi ρ = const se poate scrie unde Pentru a pune în evidenţă influenţa lui λ şi ρ asupra randamentului se consideră

Presupunând Ta = const; ε = const; şi k = const rezultă (11.20.) Creşterea lui λ înseamnă mărirea acelei fracţiuni x din cantitatea de ăldură q care se transmite ciclului la volum constant (deci qv = xq şi qp = (1-x)q). Pentru q = const, înseamnă şi deci (reducerea lui qp). Cum eficienţa transformării căldurii în lucru mecanic este mai mare în ciclul cu ardere la volum constant, la creşterea lui qv rezultă

. Dacă

.