CALCULUL PARAMETRILOR SPECIFICI AI PROCESELOR DINTR-UN MOTOR DIESEL AUTOR 1 : CRIŞAN SIMONA, AUTOR 2 : UNGUREANU TEODORA COORDONATOR 3 : Ş.L.DR.ING. RAŢIU SORIN AFILIERE AUTORI 1,2,3: UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIŞOARA, FACULTATEA DE INGINERIE HUNEDOARA REZUMAT Această lucrare evidenţiează calculul parametrilor specifici ai proceselor dintr-un motor diesel cu şase cilindrii dispuşi în V la 120. Calculul se realizeză pentru toate procesele ce au loc in timpul funcţionării motorului şi anume admisia naturală, comprimarea, arderea şi destinderea şi evacuarea gazelor arse. Ţinând seama de condiţiile în care se desfăşoară transformările care alcatuiesc ciclul real al motorului, rezultă diagrama indicată de care se leaga o serie de parametrii caracteristici ai motorului cum ar fi presiunea medie, randamentul şi consumul indicat. CUVINTE CHEIE: admisia, comprimarea, arderea, destinderea. 1. INTRODUCERE Motorul cu ardere internă ce urmează a fi studiat are cu urmatoarele caracteristici funcţionale şi dimensionale: tip motor: M.A.C. numărul şi dispunerea cilindrilor 6V120 º alezaj x cursa: DxS=92x105 mmxmm raport de comprimare ε = 23 turaţia de moment maxim: n 3000 rot M = turaţia de putere maximă min arbore cu came - 1+1. n 5000 rot P = min sistem de răcire - cu lichid 2. MOTORUL CU ARDERE INTERNĂ GENERALITĂŢI Motorul cu ardere internă este o maşină termică ce transformă parţial căldura obţinută prin arderea unui combustibil în lucru mecanic. Transformarea energiei chimice a combustibilului în lucru mecanic se realizează în interiorul motorului printr-o succesiune de procese care se repetă periodic, alcătuind ciclul motor. Clasificare: A. după modul de realizare a ciclului, motoarele cu piston se grupează în: -motoare în 4 timpi (ciclul se realizează pe durata a 4 curse complete ale pistonului sau 2 rotaţii complete a arborelui cotit) -motoare în 2 timpi (ciclul se realizează pe durata a 2 curse complete ale pistonului sau o rotaţie completă a arborelui cotit). B. în funcţie de modul de aprindere a amestecului carburant: - Motoare cu aprindere prin scânteie M.A.S, la care aprinderea se realizează prin producerea unei scântei electrice în amestecul carburant format din aer şi vapori de benzină.
- Motoare cu aprindere prin comprimare M.A.C, la care amestecul se formează în interiorul cilindrului prin injectarea unui jet de motorină în aerul aspirat şi comprimat în cilindru. Figura 1 Elementele componente ale unui motor cu ardere internă în 4 timpi Principial, motorul se compune din următoarele subansamble: 1- piston 2- segmenţi 3- bolţ 4- bielă 5- arbore cotit 6- carter superior sau blocul cilindrilor 7- carter inferior 8- chiulasă 9- canal de admisiune din chiulasă 10- supapă de admisiune 11- canal de evacuare 12- supapă de evacuare 13- bujie (mas), injector (mac) 14- cilindru. În figură sunt schiţate poziţiile extreme PMI şi PME ale pistonului, fiind haşurată cilindreea unitară VS, reprezentând volumul descris de piston între punctele moarte. 3. CALCULUL PROCESULUI DE ADMISIE NATURALĂ 3.1 Determinarea mărimilor caracteristice ale admisiei. Tabelul 1. Mărimile caracteristice ale admisiei Volumul camerei de ardere Vc=31,7 Cm 3 Cilindreea unitară Vs=698 Cm 3 Volumul la sfârşitul admisiei Va=730 Cm 3 Cilindreea totală Vt=4188 Cm 3 Coeficientul de umplere a cilindrului ηv=0,8235 Factorul de corecţie al densităţii amestecului fρ=1 Densitatea fluidului proaspăt ρ 0 fρ =1,169 kg/ m 3 Factorul de corecţie al dozajului f λ = 1,0521 Presiunea din galeria de admisie p ga =0.087MPa Presiunea la sfârşitul admisiei p a =0,079 MPa Coeficientul gazelor reziduale γ r = 0,0181 Temperatura la sfârşitul admisiei T a =331 K Viteza medie a gazelor în cursa de admisie w ga =57 m/s Viteza medie a gazelor pe sub supapa de admisie w sa =287,4 m/s Consumul teoretic de fluid proaspăt C 0 fp =735 kg/h Consumul real de fluid proaspăt C fp =605 kg/h Consumul orar de aer C a =575 kg/h Consumul orar de combustibil C h =29,9kg/h
Cantitatea teoretică de fluid proaspăt Cantitatea reală de fluid proaspăt m 0 fp =0,8161 g/ciclu x cil m fp = 0,6721 g/ ciclu x cil 4. CALCULUL PROCESULUI DE COMPRIMARE Procesul de comprimare îndeplineşte trei funcţii importante: - sporeşte randamentul termic al motoarelor - permite aprinderea combustibilului - generează mişcări organizate ale fluidului motor în camera de ardere, fapt de prima importanţă pentru realizarea turaţiilor ridicate, caracteristice motoarelor de serie. În mod conventţional se consideră că procesul de comprimare începe în momentul închiderii supapei de admisie punctul a` şi se termină în momentul declanşarii scânteii electrice la M.A.S-uri, respectiv momentul declanşării injecţiei de motorină în cazul M.A.Curilor (punctul c` ) 4.1 Calculul parametrilor de stare în punctele caracteristice ale ciclului Punctele caracteristice ale procesului de comprimare sunt: -punctul a punctul corespunzător închiderii supapei de admisie -punctul c punctul corespunzător declanşării injecţiei -punctul d punctul corespunzător declanşării arderii rapide -punctul c punctul corespunzător ciclului teoretic (fară ardere) A. Mărimile termodinamice de stare în punctul a : - poziţia capului pistonului faţă de PMI corespunzătoare unghiului de rotaţie al manivelei: x a =84.5mm - volumul gazelor: V a = 594 cm3 - presiunea gazelor: p a = 0,104 MPa - temperatura gazelor: T a = 356 K B. Mărimile termodinamice de stare în punctul c : - poziţia capului pistonului faţă de PMI corespunzătoare unghiului de rotaţie al manivelei: xc =7,856 mm - volumul gazelor: Vc = 83,92cm3 - presiunea gazelor: p c = 1,464 Mpa - temperatura gazelor: T c = 706K C. Mărimile termodinamice de stare în punctul d: - poziţia capului pistonului faţă de PMI corespunzătoare unghiului de rotaţie al manivelei: x d=1,033 mm - volumul gazelor: V d = 38,58cm3 - presiunea gazelor: p d = 4,181 Mpa - temperatura gazelor: T d = 926K D. Mărimile de stare în punctul c - volumul gazelor V c = 31,7cm3 - presiunea gazelor: p c = 5,445 Mpa - temperatura gazelor T c = 992K 5. CALCULUL PROCESULUI DE ARDERE Combustibilii utilizati in motoarele cu ardere interna sunt de natura petroliera,fiind constituiti din combinatii chimice ale carbonului cu hidrogenul (hidrocarburi).
Combustibilii lichizi se pot obtine atat din petrolul brut cat si pe cale artificiala din diferite gudroane si uleiuri prin hidrogenare sau sinteza. Motorinele, pentru motoarele cu aprindere prin comprimare, prezinta urmatoarele caracteristici: kj - Puterea calorăca inferioară: Q i = 41850 kg kg comb. - Masa molară: M c = 224 Kmol 5.1 Calculul oxigenului şi aerului minim necesar arderii complete Cantitatea minimă de oxigen-provenit din aerul atmosferic-necesar pentru arderea unui kilogram de combustibil rezultă pe baza ecuaţiilor de ardere completă a substanţelor iniţiale din combustibil (C si H). 2 O 2 min = 0,1044 kmolo kgcomb În ecuaţia anterioară parametrii c,h,o reprezintă participaţiile masice ale C,HsiO2 la un kilogram de combustibil. Lmin cantitatea minimă de aer necesară arderii complete a unui kilogram de combustibil kmol( aer) L min = 0,4969 kg( comb) 5.2 Calculul mărimilor şi indicilor caracteristici ai procesului de ardere: Tabelul 2. Mărimile şi indicii caracteristici procesului de ardere Căldura degajată la arderea incompletă Q = 0 Puterea calorică a amestecului Căldura disponibilă care se va transforma în lucru mecanic şi energie internă in Qi am = kj 2152 kg kj Q U = 37665 kg Durata întarzierii la aprindere τ == 0,6 ms Presiunea gazelor în punctul c când pistonul se află la PMS p c = 5,781MPa Presiunea gazelor în punctul y d p y = 6, 138 Raportul de creştere a presiunii în timpul arderii π = 1,468 Raportul de volum în timpul arderii pe porţiunea (d-c) δ =1,0198 3 Volumul gazelor în punctul c V c = 31,73cm Raportul de volum pe porţiunea (c-y) δ =1,0044 d y MPa 3 Volumul gazelor în punctul y V y = 32,07cm Exponentul politropic al transformării între punctele d şi c şi între punctele c si y m =1,657 m = 5,584 dc cy
Temperatura gazelor în punctele c si y T c == 1053K T y = 1130 kj Căldura degajată în faza arderii rapide Q dy = 4306 kg( comb) Durata arderii rapide (porţiunea d-y din ciclu) α r = 12,23 RAC τ r = 0,407ms Durata arderii moderate (porţiunea y-t din ciclu) α m = 29,77 RAC m,992 Durata totală a procesului de ardere α ard = 42 RAC τ = 1 ard,4 ms K 6. CALCULUL PROCESULUI DE DESTINDERE Procesul de destindere reprezintă partea din ciclul motor în care se produce fracţiunea principală din lucrul mecanic disponibil lucrul mecanic se produce şi înainte de începutul procesului de destindere-în timpul arderii-şi după procesul de destindere-în perioada evacuării libere. În timpul arderii fluidul motor acumulează energie internă- prin creşterea temperaturiiiar dupa încheierea procesului de ardere fluidul motor cedează o parte din energia sa interna în procesul de destindere sub formă de lucru mecanic. Se constată urmatoarele: 1. intervalul de timp în care se desfăşoară destinderea este cuprins între momentul încetarii arderii ( t ) şi momentul deschiderii supapei de evacuare ( u ). 2. în cazul ciclului teoretic destinderea se prelungeste până în PMI (punctul u * ). 3. în momentul deschiderii supapei de evacuare capul pistonului se află la o distanţă faţa de PMS corespunzătoare unghiului de rotaţie al manivelei α. 4. evacuarea liberă a gazelor se desfăşoară în intervalul (u,u * ), până când pistonul ajunge la PMI. Procesul de destindere este influenţat de următori factori de stare, funcţionali sau constructivi: dozajul turaţia regimul termic al motorului avansurile raportul de comprimare scăpările de gaze mărimea cilindrului arhitectura camerei de ardere natura materialelor pistoului şi chiulasei. u ' 6.1 Determinarea mărimilor de stare în punctele caracteristice ale cursei de destindere A.Determinarea mărimilor de stare în punctul u a) Unghiul α dse corespunzator deschideri supapei de evacuare α dse = 490 RAC 3 b) Volumul gazelor în momentul deschiderii supapei de evacuare V dse = 345,12cm c) Presiunea gazelor în momentul deschiderii supapei de evacuare p dse = 0,429MPa d) Temperatura gazelor în momentul deschiderii supapei de evacuare T dse = 1796K B. Determinarea mărimilor de stare în punctul u (corespunzător ciclului teoretic) a) Unghiul de rotaţie al manivelei corespunzător punctului u α = 540 RAC u 3 b) Volumul gazelor corespunzător punctului u V = V 392,45cm c) Presiunea gazelor în punctul u p u = 0,360MPa d) Temperatura gazelor în punctul u T u = T = 1712K C. Determinarea marimilor de stare in punctul u * u a =
a) Presiunea gazelor în punctul u * p u = 0,220MPa b) Temperatura gazelor în punctul u * T u = 1047K d 6.2 Calculul duratei procesului de destindere α = 100 RAC τ = 3 d,703 ms 7. CALCULUL INDICILOR DE PERFECŢIUNE AI MOTORULUI 7.1 Calculul indicilor indicati si efectivi Calculul indicilor indicaţi ai motorului: Mărimile indicate fac referire la parametrii termodinamici specifici diagramei indicate, adică proceselor termodinamici din cilindru. Aceştia sunt: 1.Presiunea medie indicată (lucrul mecanic indicat specific): p i = 0,409MPa 2.Lucrul mecanic indicat reprezintă aria buclei superioare a diagramei indicate: L J = 285 i ciclu cil 3.Puterea indicată: P i = 71,3kW 4.Momentul motor indicat: M i = 136,2Nm 5.Randamentul indicat: η = 0,205 6.Consumul specific indicat: c g = 419 i kw h i Calculul indicilor efectivi: Parametrul care face legatura între indicii indicaţi şi cei efectivi ai motorului este randamentul mecanic. Pentru M.A.C: η = 0,7...0,9 Se adopta : η = 0,8 1.Presiunea medie efectivă: p e = 0,327MPa 2.Lucrul mecanic efectivă: L J = 228 e ciclu cil 3.Puterea efectivă: P e = 51,7 kw 4.Momentul motor efectiv: M e = 109Nm 5.Randamentul efectiv: η = 0,164 g 6.Consumul specific efectiv: c e = 524 kwh e m m 7.2 Calculul indicilor de perfecţiune ai motorului kw 1.Puterea litrică: P L = 13,6 l
kw 2.Puterea raportată la aria pistonului: P A = 14,3 2 dm kw 3.Puterea pe un cilindru: P e = 8,61 1 cil 4.Momentul motor litric: M e nm momentul motor la turaţia de moment maxim M e nm == 122,1Nm M momentul motor la turaţia de putere maximă M L = 29,18 Nm e np Figura 2 Diagrama indicată p-v
8. REZULTATE FINALE ȘI CONCLUZII Motorul cu ardere internă, cu aprindere prin comprimare, cu 6 cilindrii dispuşi în V la 120, cu cilindreea totală Vt de 4188 cm 3, are o putere efectivă Pe de 51,7 kw, un moment motor efectiv M e de 109 Nm şi un randament efectiv η e de 16,4 %. 9. BIBLIOGRAFIE [1] Raţiu, S. Motoare cu ardere internă pentru autovehicule rutiere, Mecanismul motor Construcţie şi calcul, Editura Mirton, Timişoara, 2010 [2] Raţiu, S., Mihon, L. Motoare cu ardere internă pentru autovehicule rutiere, Procese şi caracteristici, Editura Mirton, Timişoara, 2008 [3] Raţiu, S. Motoare cu ardere internă pentru autovehicule rutiere Construcţie şi calcul, Demers Practic, Editura Politehnica, Timişoara, 2013