56221950-cap-4-admisia

Calculul procesului de admisie

4. CALCULUL PROCESULUI DE ADMISIE

4.1 Generaliti

Procesul de admisie, la un motor cu ardere intern, presupune introducerea n cilindru a unei cantiti de aer i a unei doze de combustibil, n proporii adecvate regimului de funcionare al motorului, care vor forma amestecul proaspt. La acestea se va aduga i o parte din gazele arse rmase din ciclul anterior, numite generic gaze reziduale.

Performanele dinamice ale motorului sunt direct proporionale cu gradul de curire a cilindrului de gazele arse, precum i cu cantitatea de ncrctur proaspt (aer+combustibil) introdus n cilindri. ncrctura proaspt sufer apoi o serie de transformri n urma crora are loc transformarea energiei chimice a combustibilului n cldur i apoi n lucru mecanic.

La motoarele cu ardere intern aerul se poate introduce n cilindru prin: a) admisie natural, cnd ptrunderea acestuia are loc numai sub aciunea

depresiunii create de piston n cursa de admisie, corelat cu aciunea presiunii atmosferice. Aceste motoare se mai numesc i motoare aspirate (fig.4.1,a);

b) admisie forat, cnd aerul este uor precomprimat, ntr-un compresor sau o suflant, nainte de a fi introdus n cilindru pe timpul cursei de admisie. Uneori, nainte de intrarea n galeria de admisie este dispus un rcitor R (INTERCOOLER) care are rolul de a rci aerul nclzit ca efect al comprimrii acestuia n suflant. Aceste motoare se numesc motoare supraalimentate (fig.4.1,b);

a) Motor aspirat b) Motor supraalimentat

Fig.4.1 Schemele posibilitilor de alimentare cu aer a motoarelor

Combustibilul se introduce n cilindru numai prin injecie, att la MAS ct i la MAC.

21

filtru de aer

galerie deadmisie

galerie de evacuare

aer

gaze arse gaze arse

filtru de aergalerie de

admisie

galerie deevacuare

aer

turbin

suflant

R

PROIECTAREA MOTOARELOR PENTRU AUTOMOBILE

Injecia de benzin la MAS a nceput s fie aplicat cu succes nc din anii '30 la motoarele Daimler-Benz, iar n prezent ea are cea mai mare extindere, dominnd net alimentarea prin carburaie (care nc mai exist doar sub forma automobilelor construite n deceniul trecut) n toate rile constructoare de automobile din lume.

Procedeul de injecie de benzin const din introducerea combustibilului prin injecie n galeria de admisie, procedeu numit generic injecie monopunct (fig.4.2,a), sau injecie multipunct n poarta supapei (b) ori direct n cilindru (c).

Fig.4.2 Injecia de benzin - posibiliti de realizare

Avantajele pe care le prezint injecia de benzin, fa de carburaie, sunt :

22


pulverizarea foarte fin a benzinei la toate regimurile de funcionare ale MAS-ului i, n special, la regimurile de sarcin i turaie reduse; uniformitatea sporit a dozei de benzin ntre cilindrii motorului, mai ales n cazul injeciei individuale (n poarta supapei sau n cilindru); crete coeficientul de umplere al cilindrului cu 8...12%, ca urmare a micorrii rezistenelor gazodinamice ale traseului de admisie, prin lipsa difuzorului i a clapetei de acceleraie de la carburator, precum i datorit eliminrii nclzirii ncrcturii proaspete pentru vaporizarea benzinei (lipsete "pata cald"); crete puterea efectiv a motorului cu 10...15% datorit mbuntirii umplerii cilindrului, dar i a posibilitii de mrire a raportului de comprimare cu pn la o unitate, determinat de lipsa de nclzire a ncrcturii proaspete; scade consumul specific de combustibil cu 14...15% datorit formrii mai bune a amestecului aer-combustibil i arderii mai eficiente a acestuia; se reduc emisiile poluante din gazele de evacuare datorit arderii amestecurilor srace ( = 1...1,2); ameliorarea comportrii motorului, eliminarea fenomenului de givraj i a rateurilor, precum i reducerea nlimii motorului prin lipsa carburatorului.

Injecia de combustibil n cazul MAC-ului este singurul procedeu utilizat la acest tip de motor, prin care se introduce combustibilul n cilindru. El const din mrirea vitezei combustibilului n raport cu cea a aerului. Pentru aceasta combustibilul este comprimat iniial la presiuni de 80...3500 bari, ceea ce-i asigur ulterior vitez foarte mare de curgere, i este introdus n cilindru cu ajutorul unui injector prevzut cu un pulverizator cu un singur orificiu cu diametrul de 1...1,5 mm sau mai multe orificii cu diametrul de 0,4...0,35 mm.

Injecia combustibilului se poate realiza n dou moduri :a) ntr-o camera de ardere executat n capul pistonului, procedeu numit i

injecie direct;b) ntr-o camer separat de ardere, executat sau montat n chiulas, procedeu

numit i injecie indirect.Fiecare dintre aceste procedee implic particulariti constructive i

funcionale ale motorului care sunt reflectate n metodologia de calcul prezentat n cele ce urmeaz.

Umplerea prin supraalimentare este un procedeu din ce n ce mai utilizat n special la MAC, care urmrete mrirea cantitii de ncrctur proaspt prin mrirea densitii acesteia, realiznd n acest sens o precomprimare a ei la 0,4...0,4 MPa, nainte de a fi introdus n cilindri. Aceast precomprimare se realizeaz cu ajutorul unui compresor antrenat mecanic de la arborele cotit, sau cu o suflant antrenat de gazele de evacuare ale motorului. Aerul sau ncrctura proaspt sunt introduse apoi n galeria de admisie a motorului, de unde ptrunde n cilindri pe timpul cursei de admisie, urmnd o nou comprimare pe timpul II al ciclului. n acest fel puterea motorului crete cu 15...30%, iar consumul specific de

23


combustibil scade. La MAS ns, datorit dublei comprimri a amestecului, exist riscul apariiei fenomenului de ardere cu detonaie, ceea ce impune uneori o reducere a raportului de comprimare cu circa o unitate.

4.2 Parametri caracteristici ai procesului de admisie

Pentru determinarea parametrilor principali ai procesului de admisie este necesar ca n prealabil sa se calculeze sau s se adopte o serie mrimi dup cum urmeaz.a) Densitatea teoretic a fluidului proaspt n cazul MAS-ului densitatea

fluidului proaspt difer de cea a aerului deoarece fluidul admis este un amestec de aer i combustibil. De aceea densitatea acestui amestec se determin cu relaia :

ofp = f 0a (a) unde RaRcGaGa

f/

1

min

min

++

=

(b)

(4.1)

n care : f - factorul de corecie al densitii; oa = 1,185 kg/m3 densitatea

aerului la T0 = 298 K i p0 = 0,1 MPa (temperatura i presiunea de referin ale mediului ambiant, pentru ncercarea motoarelor) ; - coeficientul de exces de aer, care se adopt astfel :

MAS (cu injecie de benzin) = 0,98...1,02; MAC cu camer de ardere unitar ( 17,5) = 1,5...1,6;MAC cu camer de turbulen ( =17,619,5) = 1,301,40;MAC cu anticamer ( >19,5) = 1,251,30;

Gamin 15 kg aer/kg comb - cantitatea minim de aer necesar arderii complete a 1 kg combustibil; Rc = 73 J/kgK i Ra = 287 J/kgK sunt constantele caracteristice ale combustibilului (benzina), combustibil asimilat cu octanul, i respectiv a aerului. La MAC, care aspir numai aer, se consider c Rc=Ra i deci f = 1, astfel nct 0fp = 0 = 1,185 kg/m3.b) Presiunea mediului ambiant . Conform STAS 10206-90, cap.7.2, presiunea de

referin a mediului ambiant este p0= 99 kPa 0,1 MPa;c) Temperatura iniial (practic temperatura aerului din compartimentul motor, de

unde se face aspiraia) este stabilit de acelai STAS 10206-90 ca fiind T0 = 298 K; dac n timpul ncercrii motorului presiunea mediului ambiant i/sau temperatura acestuia sunt diferite de aceste valori, se utilizeaz coeficieni de corecie pentru raportarea performanelor la condiiile de referin;

24


d) Gradul de nclzire al fluidului proaspt , notat , ine cont c acesta se nclzete de la perei n timpul procesului de admisie, ceea ce determin micorarea densitii lui; el este definit de relaia :

= (T0 + T)/T0 (4.2)

unde T este variaia temperaturii fluidului proaspt ca urmare a cldurii primite de la perei; att la MAS ct i la MAC se recomand =1,061,15;e) Exponentul adiabatic al fluidului proaspt , notat ka se adopt dup cum

urmeaz: la MAS ka = 1,331,35 iar la MAC ka = 1,351,40;f) Viteza sunetului n fluidul proaspt , notat afp, se adopt la MAS n limitele

310315 m/s iar la MAC n limitele 317330 m/s;g) Coeficientul mediu de debit al orificiului SA , notat sa , se determin pe cale

experimental, n regim staionar de curgere. S-au gsit urmtoarele valori : motor DACIA 1300 - sa = 0,53; motor de tractor D115 - sa = 0,57; motor de tractor D103 - sa = 0,52; n medie se poate adopta, pentru ambele tipuri de motoare, sa = 0,400,65;

h) Coeficientul de postumplere , notat pu , ia n considerare faptul c n cilindru mai ptrunde ncrctur proaspt dup PMI pn la nchiderea supapei de admisie, datorit ineriei coloanei de gaze proaspete. Acest coeficient este cu att mai mare cu ct turaia de calcul a motorului este mai mare; se adopt, pentru ambele tipuri de motoare, pu=0,080,25;

i) Seciunea litric a supapei de admisie, notat slSA, reprezint raportul dintre aria medie de curgere a gazelor proaspete, oferit de SA i cilindreea unitar, Vs. Creterea ei duce la creterea coeficientului de umplere i la scderea vitezei de curgere a gazelor pe sub SA. slSA este cu att mai mare cu ct motorul are mai multe supape pe cilindru; se poate adopta pentru ambele tipuri de motoare slSA = (515) cm2/l;

j) Unghi-seciune a SA , notat usSA, reprezint produsul dintre aria medie oferit de supapa de admisie i durata de deschidere a acesteia; se adopt, pentru ambele tipuri de motoare, usSA = (5003000) cm2RAC;

k) Presiunea de supraalimentare , notat ps, este presiunea fluidului proaspt la ieirea din compresor sau suflanta de supraalimentare. Evident c utilizarea noiunii are sens numai la motoarele supraalimentate. La MAS presiunea ps = 0,12...0.25, iar la MAC ps = 0,20...0,40 ; n funcie de valoarea presiunii ps , supraalimentarea poate fi de joas presiune (ps =0,12...0,20), de medie presiune (ps = 0,20...,030) sau de nalt presiune (ps = 0,30...0,40);

25


l) Coeficientul global de rezisten al traseului de admisie , notat a , crete o dat cu creterea vitezei medii a pistonului, ceea ce arat c el este mai mare la MAS dect la MAC. Valoarea acestui coeficient este cu att mai mare cu ct : a) galeria de admisie are un numrul mai mare de coturi b) razele de curbur ale coturilor galeriei de admisie sunt mai mici; c) numrul de cilindri este mai mare, deci i lungimea galeriei este mai mare; d) rugozitatea galeriei de admisie la interior este mai mare. Se poate adopta pentru MAS = 4...8 iar pentru MAC = 4...6

1) Coeficientul de umplere

Pe baza mrimilor impuse, adoptate i calculate anterior se poate determina coeficientul de umplere al cilindrului cu gaze proaspete, prin rezolvarea ecuaiei (4.3). Cum aceasta este o ecuaie transcendent, ea nu poate fi rezolvat pe cale analitic, ci numai pe cale grafic sau prin ncercri.

( )( )( )

=

+

+

2

207 18011105

11

vpara

fpa

gkpuav

wd

pres

pkpres

( )[ ] ( )12

3 1108,1111

+

+=

a

akk

aSAfp

Pvaa slSAa

nkk

(4.3)

Obs. Dac motorul este cu admisie natural, atunci presiunea pgk = pge = (0,1050,120) MPa i pres = p0 = 0,1 MPa, iar dac motorul este supraalimentat, termenul pgk se substituie cu :

( )0

0 1 TT

pp gervgk = (4.4)

unde r este coeficientul gazelor reziduale care se adopt n intervalul r = 0...0,03 iar

Tge = 10001400 K. De asemenea pres = ps respectiv presiunea la ieirea din suflant. Ecuaia (4.3) poate fi considerat ca fiind format din 2 membri i anume: membrul stng (ST), situat n partea stng a semnului egal, i un membru drept (DR). Rezolvarea

Fig.4.3Variaia membrilor ST i DR ai ecuaiei (4.3) cu v

26

STDR ST

DR

0,70 0,92 v

soluia

ST=DR


const n a gsi, prin ncercri, valoarea coeficientului de umplere v pentru care ST=DR pn la cel puin a doua zecimal. ncercrile se fac pentru diferii coeficieni de umplere cuprini n intervalul v = 0,70 ... 0,92. Variaia acestor doi membrii, care este aproximativ liniar n funcie de coeficientul de umplere, se red n fig.4.3. Se observ c o dat cu creterea lui v membrul stng (ST) crete, n timp ce membrul drept (DR) scade. Soluia ecuaiei este acea valoare a lui v pentru care ST = DR, deci unde cele dou drepte se intersecteaz.

2) Presiunea gazelor n galeria de admisie Pentru acestea se folosete relaia :

( )2

27 18011105

+= vp

araofpaga wd

presp

[MPa] (4.5)

unde : pres = p0 = 0,1 MPa dac motorul este cu admisie natural (aspirat) sau pres = ps, adic presiunea de supraalimentare, dac motorul este supraalimentat.

3) Coeficientul gazelor reziduale

Dac motorul este cu admisie natural, acesta se determin cu relaia :

( )110

0 =

vge

gkr T

Tpp

(4.6)

iar dac motorul este supraalimentat, din cauza baleiajului, ecuaia de mai sus nu mai este semnificativ i de aceea r se adopt (a fost deja adoptat pt. rel.4.3)

4) Presiunea gazelor proaspete la sfritul admisiei

( ) ( )( )11

11+

+=

a

gkpuava k

pkpresp (4.7)

Prin calcul se deduce c pa


- pentru motorul cu admisie natural

( ) ( )( )

+

+=

v

aa

v

gkpua

rpua p

pkp

pkTT

000

11

11

[K] (4.8)

- pentru motorul supraalimentat temperatura gazelor proaspete la ieirea din suflant este :

][

1

00 KTp

pTT rac

mm

ss

=

(4.9,a)

iar temperatura gazelor la sfritul admisiei, tot pentru motorul supraalimentat, este:

( ) ( ) ][1111 0

Kppk

TTkTT

s

aa

v

evrpua

rpu

sa

+

+=

(4.9,b)

unde ps este presiunea de supraalimentare m= exponentul politropic al comprimrii din suflant; Trc = 40...60C este cderea de temperatur datorit rciri fluidului proaspt dup ieirea din suflant i nainte de a intra n galeria de admisie prin intermediul unui schimbtor de cldur (INTERCOOLER); Tev = 10001400 K temperatura medie a gazelor arse pe cursa de evacuare. Celelalte mrimi sunt cunoscute de la calculul coeficientului de umplere.

6) Viteza medie a gazelor prin galerie i pe sub supapa de admisie

apv

raga w

dw

= 1801

2 [m/s] usSAVsnw

sa

vsa

2106=

[m/s] (4.10)

unde pw n m/s; n = nP n rot/min ; Vs n cm3; usSA n RACcm2

7) Cantiti de aer. Pentru arderea complet a unui kg de combustibil este necesar o cantitate de aer, determinat pe baza reaciilor chimice de ardere, care este definit de relaia :

+= ohcGa 8

38

23,01

min [kg aer/kg comb] (4.11)

unde c,h i o reprezint participaiile carbonului, hidrogenului i oxigenului la 1 kg de combustibil. Pentru cei doi combustibili principali, benzina i motorina, participaiile acestor elemente se prezint n tabelul 4.1.

Tabelul 4.1

28


Combustibil c [kg C/kg comb]

h [kg H2/kg comb]

o[kg O2/kg comb]

Benzin 0,854 0,142 0,004Motorin 0,857 0,133 0,010

Avnd n vedere coeficientul de exces de aer adoptat, rezult cantitatea real de aer ce revine pentru arderea unui kg de combustibil, ca fiind :

Gar = Gamin [kg aer/kg comb] (4.12)

Participaiile masice ale aerului (pma) i combustibilului (pmc), n faza de admisie a motorului, sunt diferite la cele dou tipuri de motoare :

MAS min

min

1 GaGapma +

=

pmc = 1- pma (4.13)

MAC pma = 1 pmc = 0 (4.14)

Obs. La MAC participaia combustibilului este pmc=0, deoarece n faza de admisie ptrunde n cilindru numai aer, combustibilul fiind injectat abia spre sfritul comprimrii.

8) Constanta caracteristic a fluidului proaspt se determin cu relaia :

+

=Kkg

J1

Rcp

RapR mcmafp (4.15)

unde Ra = 287 J/kg K este constanta caracteristic a aerului; Rc 73 J/kgK pentru MAS, i Rc Ra pentru MAC sunt constantele caracteristice ale combustibililor.

9) Consumul teoretic i real de fluid proaspt Consumul teoretic de fluid proaspt al ntregului motor se poate determina cu relaia :

=hkgniVs

TRfpres

C Pfp

fp 300

0

(4.16)

unde : pres = p0 dac motorul este cu admisie natural ("aspirat") sau pres = ps, adic presiunea de supraalimentare, dac motorul este supraalimentat. Se introduce n MPa; Vs - cilindreea unitar, n cm3 ; Rfp- constanta caracteristic a fluidului proaspt, n J/kg K ; T0 = 298 K - temperatura mediului ambiant; i - numrul de

29


cilindri ai motorului ; nP - turaia de putere maxim, n rot/min; f - factorul de corecie al densitii fluidului proaspt (rel.4.1,b)

Consumul real de fluid proaspt va fi :

Cfp = v C0fp [kg/h] (4.17)

10) Consumul real de aer i combustibil al ntregului motor Se determin cu relaiile :

Ca = Cfp pma [kg aer/h] ; minGa

CaCh

= [kg comb/h] (4.18)

c

ChlCc

=_ [l comb/h] (4.19)

unde c = (0,680,76) kg/l pentru benzin i c = (0,740,88) kg/l pentru motorin, este densitatea combustibilului, n kg/l.

11) Consumul de combustibil la 100 km Cunoscnd viteza de deplasare a automobilului (va), se poate determina consumul de combustibil la 100 km, cu motorul funcionnd la turaia de putere maxim i sarcin total, iar cutia de viteze cuplat n treapta de vitez maxim, cu ajutorul relaiei :

avlC cC c _10 01 0 0_ = [l comb/100 km] (4.20)

12) Consumuri pe ciclu i cilindru

Masa teoretic (indice 0) i real de fluid proaspt pe ciclu i cilindru.

inC

mP

fpfp

=3010 0

3

0 mfp = v m0fp [g/ciclucil] (4.21)

unde mrimile ce intervin au aceleai semnificaii i uniti de msur ca la pct.9 Masa real consumat de aer i de combustibil pe ciclu i cilindru.

=

=

cilcicluaerg

1201010 3

)(

3

inCa

iNcCama

Phcc (4.22)

=

=

cilciclucombg

1201010 3

)(

3

inCh

iNcChmc

Phcc (4.23)

30


unde Ca i Ch se determin cu relaiile (4.18); i - numrul de cilindri ai motorului. Masa total de fluid proaspt dintr-un cilindru poate fi calculat i cu relaia :

mfp = macc + mccc

cilcicluproaspatfluidg

(4.24)

Masa de gaze reziduale pe ciclu i cilindru :

mgr = mfp

cilciclurezidualegazeg

(4.25)

Masa total de gaze pe ciclu i cilindru :

mgaze = mfp + mgr

cilciclugazeg

(4.26)

n ceea ce privete variaia presiunii gazelor din cilindru pe timpul cursei de admisie, aceasta se prezint, pentru motorul aspirat respectiv pentru motorul supraalimentat, n fig. 4.2 i 4.3.

31


32

p

p0

V

a

r

pa = ct.

VS

Vk

Va

Motor aspirat

PMI

PMS

se


33

Fig.4.2 Variaia presiunii gazelor din cilindru n timpul admisiei

p

p0

V

a

r

pa = ct.

VS

Vk

Va

Motor supraalimentat

PMI

PMS

se


34

Fig.4.3 Variaia presiunii gazelor din cilindru pe timpul admisiei

56221950-cap-4-admisia

Documents