Sa se proiecteze calculul termic al motorului cu ardere interna cu piston, in patru timpi, cu aprindere prin comprimare ce echipeaza un autoturism si are urmatoarele caracteristici:

puterea maxima efectiva P_e=97,8 KW (133 CP)

turatia corespunzatoare puterii maxime n_P=2900 rot/min

numarul de cilindrii i=6.

Introducere

Sistemul de injectie din conducta comuna de foarte inalta presiune

Consacrat sub denumirea de "common rail' acest sistem foloseste o conducta comuna pentru toate injectoarele in care combustibilul trimis de pompa de injectie, de multe ori pompa rotativa, la presiuni intre 1300 si 2000 bar ajunge in cilindru fin pulverizat, fiind trimis de injectoare pentru care momentul injectiei si doza de combustibil (uneori fragmentata chiar si in 2 sau 3 pulsuri pe ciclu) sunt controlate electronic.

Ansamblul general al unui sistem common rail este prezentat in figura urmatoare .

Schema in care se detaliaza sistemul common rail este redata in figura urmatoare; semnificatia componentelor fiind expusa in cele ce urmeaza, ele fiind simplu de identificat: rezervor; pompa volumica de alimentare; filtru de combustibil; pompa de injectie de foarte inalta presiune; ventil de reglare a presiunii; unitate electronica de calcul (UEC); traductor de turatie; traductor pentru pozitia arborelui cu came; traductor pentru pozitia pedalei de acceleratie; traductor pentru presiunea de supraalimentare; temperatura aerului; temperatura fluidului de racire; traductor pentru masurarea debitului de aer; traductor pentru conducta comuna de foarte inalta presiune; conducta acumulator pentru imbustibil de foarte inalta presiune; injectoare.

UEC, care are memorata printr-o matrice, dupa date de stand, functionarea optima in comun a automobilului, motorului si a sistemului de injectie, cu posibilitati de a efectua interpolari intre punctele memorate controleaza presiunea de injectie precum si momentul, respectiv doza injectata, informatiile primite de la traductoarele nominalizate in figura de mai sus, permitand efectuarea comenzilor necesare de catre UEC prin compararea datelor oferite de senzori cu cele stocate in unitatea electronica de calcul.

Aplicatia common rail este proprie motoarelor diesel cu injectie directa.

Studiul tehnicii actuale privind motoare similare cu cel din tema de proiect

Motorul din tema de proiect Categoria autovehiculului Autoturism, tip aprindere MAC, P_{e max} 98 Kw, n_P 2900 rot/min, nr. de cilindrii i 6.

Memoriu justificativ de calcul

Alegerea parametrilor initiali generali ai procesului de schimbare a gazelor

Parametrii initiali general utilizati la calculul termic al unui motor sunt:

numarul de cilindrii i=6, conform temei de proiect;

numarul de timpi ai motorului υ=4, conform temei de proiect;

puterea efectiva P_e=97,8 KW, conform temei de proiect;

turatia corespunzatoare puterii maxime n_P=2900 rot/min, conform temei de proiect;

viteza medie a pistonului W_P=10,8267 m/s, s-a ales pe baza studiului motoarelor similare cu cel din tema de proiect;

puterea litrica P_L=17,8106 KW/dm³, s-a ales pe baza studiului motoarelor similare cu cel din tema de proiect;

numarul de supape pe cilindru n_S=2, s-a ales pe baza studiului motoarelor similare cu cel din tema proiect;

raportul de comprimare =18, s-a ales pe baza studiului motoarelor similare cu cel din tema de proiect;

coeficientul de dozaj λ=1,4, s-a ales in intervalul: 1,4÷2 MAC;

presiunea initiala STAS p_o=1 daN/cm²;

temperatura initiala STAS T_o=295 K;

presiunea aerului in conditii normale de stare p_aer=1,013 daN/cm²;

densitatea aerului atmosferic in conditii normale de stare _aer=1,013 kg/m³;

temperatura in conditii normale T_aer=273 K;

constanta specifica a aerului R_a=287 J/kgK;

constanta specifica combustibilului: benzina R_c=73 J/kgK

Calculul procesului de schimbare a gazelor:

Alegerea parametrilor initiali ai procesului de schimbare a gazului:

Valoarea parametrilor initiali ai procesului de schimbare a gazului se aleg pe baza recomandarilor din literatura de specialitate, tinand cont de destinatia autovehicolului.

Parametrii alesi sunt:

Saviem 795-05

Parametrii fazelor de distributie:

avansul la deschiderea supapei de admisie b_aDSA

β_aDSA =10.20 [^oRA ] ;

β_aDSA = 12 [^oRA] ;

intarzierea la inchiderea supapei de admisiune β_iiSA:

β_iiSA = 45.70 [^oRA ] ;

β_iiSA = 47 [^oRA] ;

avansul la deschiderea supapei de evacuare β_aDSE:

β_aDSE = 40.60 [^oRA];

β_aDSE = 50 [^oRA]

intarzierea la inchiderea supapei de evacuare β_iiSE:

β_iiSE= 15.30 [^oRA] ;

β_iiSE=18 [^oRA]

coeficientul de postumplere φ_pu

φ_pu=0,08÷0,25

se alege φ_pu=0,2.

coeficientul global a rezistentei gazodinamice a traseului de admisie ξ_a

ξ_a=4÷8

se alege ξ_a=6

coeficientul de debit a sectiunii oferite de supapa de admisie μ_SA

μ_SA=0,4÷0,65

se alege μ_SA=0,60

factorul de profil a camei ce actioneaza supapa de admisie f_pc

f_pc=0,95÷1,3

se alege f_pc=1,15.

unghiul de prelucrare a talerului supapei de admisie γ_SA=30^o,45^o,60^o. Se alege γ_SA=45^o pentru ca s-a urmarit ca efectul de centrare sa fie prioritar.

Inaltimea maxima de ridicare a supapei de admisie de pe scaun

h_max=6÷9 mm pentru D<100 mm

h_max=10÷14 mm pentru D>100 mm

se alege h_max=9 mm

incarcarea fluidului proaspat la peretii calzi ai traseului de admisie:

T=15÷40 K pentu MAS

T=10÷25 K pentu MAC

Se alege ΔT=18 K

presiunea din cilindru la sfarsitul cursei de evacuare

p_g=1,05÷1,2 daN/cm²

se alege p_g=1,15 daN/cm² pentru ca s-a avut in vedere ca traseul de evacuare are rezistente gazodinamice importante

temperatura gazelor reziduale din cilindru la sfarsitul cursei de evacuare

T_g=900÷1200 K pentru MAS

T_g=700÷900 K pentru MAC

Se alege T_g=750 K

masa minima de aer necesara pentru arederea teoretica completa a unui kilogram de combustibil

L_min=14,71 .

Calculul parametrilor constructivi ai motorului:

cilindreea unitara

cursa pistonului

alezajul cilindrului

diametrul exterior al talerului supapei de admisie

diametrul exterior al talerului supapei de evacuare

diametrul sectiunii libere

inaltimea relativa de urcare a supapei de admisie

durata procesului de admisie:

_{a aDSA}+180^o+ _iISA=12^o+180^o+47^o=239 [^oRA]

durata procesului de evacuare:

_{e aDSE}+180^o+ _iISE=50^o+180^o+18^o=248 [^oRA]

sectiunea litrica a supapei de admisie:

Se observa ca sectiunea litrica se incadreaza in intervalul recomandat: .

Calculul gradului de umplere a cilindrului:

Pentru calculul η_V se vor determina in prealabil urmatorii parametrii de stare a procesului de admisie:

gradul de incalzire a fluidului proaspat:

densitatea aerului atmosferic in conditii STAS de incercare a motorului cu aprindere interna, ρ_0aer;

Se cunosc: T_o=295 K

p_o=750 [mmHg]=1 bar=1 daN/cm²

Conditii normale: T_aer=273 K

p_aer=760 [mmHg]=1,013 daN/cm²

_aer=1,293 kg/m³

exponentul adibatic a fluidului proaspat

k_a=1,4

viteza sunetului in fluidul proaspat

gradul de umplere η_V se determina pe baza urmatorului sistem de cinci ecuatii care are necunoscutele: η_V, p_ga, p_a, T_a, γ_r.

Obs.: Folosind metoda substitutiei pentru necunoscutele se ajunge la urmatoarea ecuatie cu o singura necunoscuta h_v

Aceasta ecuatie se rezolva pe baza programului Excel, prin metoda grafica:

Variatia membrilor ecuatiei in functie de

Se traseaza graficele de variatie a celor 2 membri in functie de . Intersectia celor 2 curbe reprezinta solutia cu necunoscuta

=0,915

se incadreaza in intervalul recomandat de literatura de specialitate : 0.70.9.

Calculul presiunii fluidului proaspat din cilindru la sfarsitul cursei de admisie (p_a)

Valoarea lui p_a se incadreaza in intervalul (0,7.0,9) recomandat de [1].

Calculul presiunii fluidului proaspat din galeria de admisie (p_ga)

0,910 [daN/cm²]

Calculul coeficientului de gaze reziduale (g_r

0,029

Se observa ca g_r se incadreaza in intervalul (0.0,03) recomandat de [1].

Calculul temperaturii fluidului proaspat din cilindru la sfarsitul cursei de admisie (T_a)

325,99K

Se observa ca T_a se incadreaza in intervalul (310.400)K recomandat de [1].

Calculul vitezei medii a fluidului proaspat din galeria de admisiune (W_ga)

Calculul vitezei medii a fluidului proaspat in sectiunea oferita de supapa de admisie (W_sa)

Calculul procesului de comprimare

Rolul procesului de comprimare este de a spori randamentul termic al ciclului motor si de a crea conditii optime pentru autoaprinderea combustibilului.

Prin calculul procesului de comprimare se urmareste determinarea presiunii si temperaturii momentane a fluidului motor din cilindru in timpul cursei pistonului de la P.M.E. la P.M.I. corespunzatoare procesului de comprimare.

Calculul se face in ipoteza ca procesul de comprimare este o transformare termodinamica politropica cu un exponent politropic constant notat cu m_c.

Ecuatiile transformarilor politropice sunt:

m_c - corespondentul politropic al procesului de comprimare.

Din [1] se adopta m_c=(1,34.1,4)

m_c=1,36.

V_x - valoarea momentana a volumului ocupat de fluidul motor in timpul cursei de comprimare.

p_x,T_x - presiunea respectiv temperatura momentana a fluidului motor corespunzatoare volumul V_x.

Se considera 10 valori ale volumului V_x situate la distante egale in intervalele [V_c,V_a] si rezultatele se trec in tabel.

Se observa ca valoarea presiunii p_c si temperatura T_c la sfarsitul procesului de comprimare se incadreaza in intervalele recomandate de [1]:

Calculul procesului de ardere

Se bazeaza pe urmatoarele ipoteze:

-in timpul procesului de ardere au loc variatii ale compozitiei chimice a fluidului motor.

-caldurile specifice la volum constant ale fluidului motor variaza in functie de temperatura acestuia.

-au loc pierderi de caldura prin peretii cilindrului.

-arderea este un proces izocor care incepe in punctul C al diagramei indicate si se termina in punctul y.

-calculul procesului de ardere este pentru 1kg de aer.

Caldura utila este caldura preluata de fluidul motor si reprezinta diferenta dintre caldura degajata prin arderea combustibilului si pierderile de caldura prin peretii cilindrului. Se determina cu ajutorul coeficientului caldurii utile (x_u) cu relatia:

unde: Q - puterea calorica a motorinei

Valorile recomandate al lui . Alegem

Determinarea compozitiei amestecului initial

Amestecul initial de gaze aflate in cilindru la inceputul procesului de ardere este format din aer si combustibil care a patruns in cilindru in procesul de admisiune si gazele reziduale ramase din ciclu anterior. Substantele care au patruns in cilindru la sfarsitul procesului de admisie se numesc substante initiale.

Cantitatea minima de aer necesar pentru arderea teoretic completa a unui kg de combustibil L_min cu relatia:

c - participatia masica a carbonului din molecula de combustibil, c=0,857

h - participatia masica a hidrogenului din molecula de combistibil, h=0,133

o - participatia masica a oxigenului din molecula de combustibil, O=0,01

Numarul de kilomoli ale substantelor initiale se determina cu relatia:

-numarul de kmoli de combustibili dintr-un kg de combustibil

M_c=114 [kg/kmol]

-numarul de kmoli de gaze reziduale

Numarul de kmol de amestec initial:

Determinarea compozitiei produselor de ardere

La MAC in urma arderii rezulta urmatoarele substante

Numarul de kilomoli de CO₂ din substanta finala notati cu () se determinata cu relatia:

Numarul de kilomoli de H₂O rezultati din ardere () se determinata cu relatia:

Numarul de kilomoli de rezultati din ardere () se determinata cu relatia:

Numarul de kilomoli de rezultati din ardere () se determinata cu relatia:

Numarul de kilomoli de substante finale :

Numarul de kilomoli de gaze de ardere

Calculul coeficientului de variatie molara ai procesului de ardere

Coeficient chimic de variatie molara:

Coeficient total de variatie molara:

Calculul caldurii specifice la volum constant a amestecului initial

In calculul caldurilor specifice se neglijeaza influenta gazelor reziduale deoarece valorile caldurilor specifice depinde de temperatura. Se va utiliza o valoare medie corespunzatoare intervalului de temperatura, 273K.

Caldura specifica a amestecului initial:

-se determina in functie de participatia masica a aerului si a combstibilului cu relatia :

- coeficientii caldurii specifice ai aerului conform [1] tabelul 4.6

- coeficientii caldurii specifice ai combustibilului conform [1] tabelul 4.6.

Calculul caldurii specifice la volum constant a gazelor de ardere

Determinarea caldurii specifice se face in functie de participatiile masice ale fiecarui component.

Participatia masica a CO2:

Participatia masica a H2O:

Participatia masica a N2:

Participatia masica a O2:

Caldura specifica medie la valori constante a gazelor de ardere:

- este coeficientul caldurii specifice medii a fiecarui compus din gazele de ardere pentru intervalul de temperatura 273KTmax=2240 K.

Calculul temperaturii maxime atinse in cilindru

Tmax in cilindru in timpul arderii se determina pe baza ecuatiei de bilant energetic. La MAC se considera ca arderea decurge izocor si ecuatia de bilant energetic are expresia:

T_max- temperatura maxima atinsa in cilindru motorului corespunzator in punctul y din diagrama indicata.

Deoarece C_vga este functie de T_y ecuatia este de gradul 2 cu necunoscuta T_y care va avea solutiile:

T=2635 [K]

T

T

Observatie: Valoarea temperaturii se incadreaza in intervalul 18002300K, recomandat de literatura de specialitate.

Calculul parametrilor termodinamici ai procesului de ardere

Presiunea fluidului motor corespunzator punctului y din diagrama indicata se determina cu relatia:

Presiunea maxima din cilindru atinsa in timpul procesului real de ardere notata cu Pmax este mai mica decat cea teoretica determinata cu relatia de mai sus deoarece arderea reala nu este izocora .

P_max=0,85∙Py=0,85∙119,13

P_max=101,26

Calculul procesului de destindere

Procesul de destindere este procesul in care fluidul motor cedeaza energie pistonului.

Calculul se face in ipoteza ca procesul de destindere este o transformare termodinamica politropica cu un exponent politropic constant.

Ecuatiile transformarii politropice sunt:

unde: m_d - exponent politropic al procesului de destindere;

Intervalul pentru m_d in literatura de specialitate m_d= 1,25.1,32

Se adopta m_d=1,27

valoarea momentana ocupat a fluidului motor in timpul cursei de destindere

valoarea presiuni respectiv temperatura momentana a fluidului motor corespunzator volumului

Parametrii termodinamici ai proceslui de destindere

P_u=3,043

T_u=1131 [K]

Se observa ca volumul presiunii si temperatura a fluidului motor la sfarsitul procesului de destindere se incadreaza in intervalele recomandate de literatura de specialitate [1]

P_u=3.5

T_u=1000..1400 [k]

Diagrama indicata in coordonate p-V

Diagrama indicata a ciclului motor in coordonate p-V reprezinta graficul variatiei presiunii din cilindru in functie de pozitia pistonului exprimata prin volumul ocupat de fluidul motor la un moment dat.

Se alege pe abscisa scara de reprezentare a volumului cilindrului

1 mm =0,0037 dm³ (= 153,78 mm)

Se alege pe ordonata scara corespunzatoare presiunii din cilindru

1 mm =0,6 (= 238,26 mm)

Se traseaza cu linie punctata dreapta orizontala corespunzatoare presiunii atmosferice si verticalele V_c si V_a corespunzatoare pozitiei pistonului in punctul mort exterior si in punctul mort interior.

Valorile presiunii din cilindru se determina pentru diferite valori ale volumelor ocupate de fluidul motor si sunt centralizate in tabel.

Variatia presiunii din cilindru in timpul ciclului motor

Se adopta constructiv conform recomandarilor din literatura de specialitate valoarea avansului la declansarea scanteii electrice.

= 0..15 ˚RA

Alegem = 10 ˚RA

Se adopta constructiv conform recomandarilor din literatura de specialitate valoarea raportului dintre raza manivelei si lungimea bielei.

Valorile recomandate pentru conform [2] : =. Alegem =

Volumul ocupat de fluidul motor corespunzator momentelor fazelor de distributie si a momentului declansarii scanteii electrice se determina cu relatiile:

Parametrii termodinamici corespunzatori inceputului si sfarsitului proceselor ciclului motor

Valorile presiunii din cilindru corespunzator pozitiilor pistonului din tabel s-au determinat grafic prin ridicarea verticalelor corespunzatoare si citirea presiunii la intersectia acestora cu diagrama indicata trasata anterior.

Fenomenele reale care au loc in cilindru si momentele fazelor de distributie impun rotunjirea diagramei indicate in zonele corespunzatoare evacuarii libere si mixte, post-evacuarii si arderii rapide.

Diagrama indicata desfasurata in coordonate p-α

Pentru trasarea diagramei in coordonate p- se aleg urmatoarele scari de reprezentare:

pe abscisa scara corespunzatoare unghiul

1mm=

pe ordonata scara corespunzatoare presiuni din cilindru

1mm = 0,79

Valorile presiunilor in functie de unghiul in sunt centralizate in tabelul 2.7.1

Se marcheaza punctele corespunzatoare coordonatelor p- din tabel pe sistemul de coordonate . Diagrama indicata desfasurata s-a obtinut prin marcarea punctelor unind printr-o linie.

Planimetrarea diagramei indicate

Planimetrarea se face in scopul determinari pe cale grafica a lucrului mecanic indicat L_i al ciclului motor, acesta este echivalent cu aria diagramei de inalta presiune a ciclului motor in coordonate p-v.

Programul AutoCAD ne furnizeaza direct aria curbei inchise de inalta presiune, astfel :

A= 3158,000

Stiind ca s-au ales scarile de reprezentare 1mm=0,003 [dm] pe abcisa si 1mm=0,6 pe ordonata:

L_i=3158,000∙0,003∙0,6∙10²

L_i=994,770 [J]

Calculul parametrilor indicati ai ciclului motor

presiunea medie indicata

Se observa ca se incadreaza in intervalul 7.5..14.5 [daN/cm]

puterea indicata:

caldura disponibila prin arderea completa a combustibilului:

unde: - puterea calorica inferioara a combustibilului;

- doza de combustibil corespunzatoare unui ciclu motor

R-constanta gazelor perfecte ; R=8,314 [kj/kg]

randamentul indicat

consumul specific indicat pentru combustibil

Calculul parametrilor efectivi ai motorului

Parametri efectivi ai motorului se determina la nivelul arborelui cotit la iesirea din motor si depinde de randamentul mecanic al motorului.

se adopta constructiv randamentul mecanic:

=0,700

lucru mecanic efectiv Le:

presiunea medie efectiva p_e:

puterea efectiva P_e:

Puterea indicata in tema de proiect este

randamentul efectiv

consumul specific efectiv

puterea litrica

Bibliografie

1. Bobescu Gh. s.a. - Motoare pentru automobile si tractoare.

Teorie si caracteristici, vol.I, Editura Tehnica,Chisinau, 1998

2. Bobescu Gh. s.a. - Motoare pentru automobile si tractoare.

Dinamica, calcul si constructie, vol.II, Editura Tehnica,Chisinau, 1998.

3. Fratila Gh., s.a. - Automobile. Cunoastere, intretinere si reparare,

E.D.P., Bucuresti, 1997

Grunwald B. - Teoria, calculul si constructia motoarelor pentru

autovehicule rutiere,E.D.P., Bucuresti, 1980.

5. Negrea V. D. - Procese in motoarele cu ardere interna, Economicitate.

Combaterea poluarii, vol.I, Ed.Politehnica, Timisoara, 2001.

6. Negrea V. D. - Procese in motoarele cu ardere interna, Economicitate.

Combaterea poluarii, vol.II,Ed.Politehnica, Timisoara, 2003.

7 Negrescu M., s.a. - Motoare cu ardere interna - procese, vol. I,

Editura Matrixrom, Bucuresti, 1995