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

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:

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

Tabelul 1

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

Tabelul 2

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:

O_{2 min}=c/12+h/4-o/32=0,1065 kmol O₂/kg (1)

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

O_{2 min}=(c/12+h/4-o/32)M_O2=3,4093 kgO₂/kg comb. (1')

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

O_min=0,21 ·L_min (2)

Rezulta:

L_min= O_min/0,21=0,5073 kmol aer/kg comb (2')

Cunoscand masa moleculara a aerului M_a, rezulta:

L^*_min=L_min·M_a= 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/M_c=1/114=0,008 kmol/ kg comb - nr. de kmol pentru 1 kg de combustibil

M_c=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 Q_in este egala cu puterea calorica inferioara Q_i a combustibilului.

Aceasta caldura se determina cu relatia:

Q_in=43524kJ/kg (9)

cu Q_i=43524 kJ/kg - puterea calorifica inferioara

Puterea calorica a amestecului Q_iam 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:

Q_u=_u·Q_in= 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:

x_p=r[(1-cos_d)+(/4)· (1-cos2_d)]= 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:

p_c=p_d +p(360-_d) = 3.201 M Pa (14)

p_d=1,521 Pa

p_y=p_c +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:

= p_y/ p_d= 3,760 (15)

Rapoartele de volum in timpul arderii se determina cu relatiile:

(16)

(16')

cu V_y=V_c+(D²/4)x_py= 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 T_d=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.