|
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.
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).
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.