Documente noi - cercetari, esee, comentariu, compunere, document
Documente categorii

Calculul procesului de ardere al combustibilului

Calculul procesului de ardere al combustibilului



Dintre toate procesele termice din cilindrii motorului, procesul de ardere are cel mai inalt grad de complexitate. Indicii energetici ai motorului, cei de economicitate si de durabilitate, de functionare linistita si de adaptabilitate la tractiune depind intr-o mare masura de procesul de ardere.

Manifestarile arderii sunt

1. aparitia flacarii sau aprinderea;

2. dezvoltarea flacarii sau propagarea;

Manifestarile caracteristice arderii  in motor sunt emisiunea de lumina (flacara), cresterea rapida de presiune si temperatura si durata scurta.

Arderea este precedata sau se dezvolta simultan cu procesul de formare a amestecului combustibil-aer, determinat de pulverizarea si vaporizarea combustibilului, de distributia acestuia in aer sau  a aerului in zonele cu mare concentratie de combustibil.

Calculul procesului de ardere urmareste stabilirea legii de variatie a presiunii din cilindru in perioada degajarii caldurii de reactie in scopul determinarii presiunii maxime din cilindru (care defineste solicitarea mecanica a organelor), temperaturii fluidului motor (care defineste incarcarea termica a organelor in contact cu gazele fierbinti).


Fig. 1


Se considera ca arderea se declanseaza cu avans fata de pmi (in punctul d) si se dezvolta: - in faza arderii rapide dupa evolutiile politrope d-c si c-y;

- in faza arderii moderate sau finale dupa izobara y-y' si izoterma y'-t.



1 Alegerea combustibilului utilizat si a parametrilor de calcul


Combustibilul pentru motoare de autovehicul trebuie sa indeplineasca mai multe conditii:

-sa asigure pornirea sigura si rapida  motorului la orice temperatura a mediului ambiant;

-sa permita functionarea sigura a motorului cu un randament cat mai inalt;

-sa nu produca solicitari mecanice si termice ridicate si uzura mare;

-sa arda complet fara sa produca substante nocive;

-sa nu actioneze coroziv asupra metalelor cu care vine in contact;

-sa permita transportul, depozitarea,si distributia fara dificultate;

-sa-si mentina proprietatile in timp;

-sa fie ieftin;

-sa fie in cantitate suficienta.


Combustibilul utilizat pentru ardere in motorul de proiectat este benzina, cu urmatoarele proprietati:

Tabelul 1

Combustibilul

Compozitie kg/kg

O2 min

Lmin

Qi

Mc


c

h

o

Kmol/kg

Kmol/kg

Kj/kg

Kg comb/kmol

Benzina

0,854

0,142

0,004

0,1065

0,5073

43524

114


Pentru calculul procesului de ardere este necesar sa se adopte urmatoarele marimi:


Tabelul 2

Nr.crt

Parametrul

Simbol

UM

Domeniul de valori

Valoarea adoptata

1

Unghiul de avans la declansarea scanteii

s

°RAC

2540

35

2

Unghiul de inceput de ardere

d

°RAC

340356

348

3

Viteza medie de crestere a presiunii

p

MPa/°RAC

0,070,18

0,14

4

Coeficientul de utilizare a caldurii

u


0,880,94

0,9

5

Coeficientul de degajare a caldurii in faza arderii rapide

v


0,680,85

0,75

6

Coeficientul de degajare a caldurii in faza arderii izobare

p


0,..0,7

0,5

7

Unghiul de sfarsit al arderii rapide

y

°RAC

360380

372


2 Calculul oxigenului si a aerului minim necesar arderii complete


Cantitate de oxigen necesara pentru arderea teoretica completa a unui kg de combustibil va fi suma cantitatilor de oxigen necesare pentru arderea completa a partilor componente ale combustibilului, mai putin cantitatea de oxigen prezenta in combustibil:


O2 min=c/12+h/4-o/32=0,1065 kmol O2/kg (1)


Cunoscand masa moleculara a oxigenului (M=32 kg/kmol) rezulta:


O2 min=(c/12+h/4-o/32)MO2=3,4093 kgO2/kg comb. (1')


Cantitatea de aer minima Lmin necesara arderii complete, se determina cunoscand proportia de oxigen din aer.


Omin=0,21 ·Lmin (2)


Rezulta:


Lmin= Omin/0,21=0,5073 kmol aer/kg comb (2')


Cunoscand masa moleculara a aerului Ma, rezulta:


L*min=Lmin·Ma= 14,71 Kg aer/kg comb (2'')


cu Ma=28,97 kg/kmol- masa moleculara a aerului


Cantitatea reala de aer, disponibila pentru arderea unui kg de combustibil este


L=· Lmin= 171 kmol aer/kg comb (3)


Numarul de kmoli de substanta initiala i, care participa la reactia chimica este:


i= L+c=0.516 kmol/kg comb (4)


cu c= 1/Mc=1/114=0,008 kmol/ kg comb - nr. de kmol pentru 1 kg de combustibil

Mc=114- masa moleculara a combustibilului.

Fluidul motor este un amestec de gaze care inainte de ardere este format din aer, gaze reziduale si vapori de combustibil. La inceputul arderii, in cilindru se afla ai kmoli de amestec initial:


ai=i+r= i(1+r)= 0,516(1+0,042) = 0,537 kmol/kg comb (5)


3 Calculul marimilor si indicilor caracteristici procesului de ardere


In reactiile chimice de ardere numarul initial de kmoli de amestec i nu se conserva intotdeauna.

Pentru calculul arderii in motor se determina coeficientul chimic de variatie molara c care pentru un coeficient de exces de aer =0,9 se calculeaza cu relatia:


(6)


La sfarsitul arderii, fluidul motor este format din gaze de ardere. In cilindru se afla ga kmoli de gaze de ardere:


ga=f + gr=i·c+i·r=i(c +r)= 0,571 kmoli (7)


Coeficientul total de variatie molara se defineste prin raportul:


(8)


In cazul amestecului, cand =1 , arderea combustibilului este completa, caldura degajata Qin este egala cu puterea calorica inferioara Qi a combustibilului.

Aceasta caldura se determina cu relatia:


Qin=43524kJ/kg (9)


cu Qi=43524 kJ/kg - puterea calorifica inferioara

Puterea calorica a amestecului Qiam reprezinta raportul dintre caldura degajata prin arderea combustibilului si masa de fluid proaspat ce revine unui kg de combustibil:


(10)


Caldura disponibila care se transforma in lucru mecanic si energie interna va fi:


Qu=u·Qin= 39151 kJ/kg (11)


cu u=0,93 - coeficientul de utilizare a caldurii.

Fata de momentul declansarii scanteii (punctul c'), arderea incepe cu o intarziere d:


d=d - c'=348--325=27°RAC


Spatiul parcurs de piston in aceasta perioada este:


xp=r[(1-cosd)+(/4)· (1-cos2d)]= 5,361 mm (12)


Durata in timp a acestei intarzieri este de:


d=d/6n=0,605 ms (13)


Cunoscand viteza medie de crestere a presiunii in faza arderii rapide se pot determina presiunile din cilindru corespunzatoare punctelor c si y:


pc=pd +p(360-d) = 3.201 M Pa (14)

pd=1,521 Pa


py=pc +p(y-360) = 881 M Pa (14')


cu y=720 -d=720- 348= 372°RAC


Raportul de crestere a presiunii in perioada arderii rapide este:

= py/ pd= 3,760 (15)

Rapoartele de volum in timpul arderii se determina cu relatiile:


(16)


(16')


cu Vy=Vc+(D2/4)xpy= 52.76 cm3



Evolutiile presiunii pe portiunile d-c si c-y sunt evolutii politrope cu exponentii:

(11)

mdc = 6.081

mcy= - 3,448   (11')


Temperatura gazelor in punctul c rezulta din ecuatia politropei:


K (17)


cu Td=792K

iar temperatura in punctul y este:2542 K



Masa moleculara a gazelor arse este:

(18)


Constanta gazelor arse:


(19)


Caracteristica caldurilor specifice:


                    (20)


cu R=8314 J/kmol·K- constanta generala a gazelor.