FACULTATEA INGINERIE MECANICA SI MECATRONICA

DEPARTAMENTUL DE TERMOTEHNICA, MOTOARE SI ECHIPAMENTE TERMICE

SI FRIGORIFICE

BILANTUL TERMIC AL MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA

1.Scopul lucrrii. Lucrarea are ca scop determinarea pe cale experimental a termenilor bilanului energetic al unui motor cu ardere intern de tipul D 110. Acesta este un MAC n patru timpi, cu injecie direct, cu patru cilindri, care la turaia de 1800 rot/min dezvolt 47,8 kW (65 CP).

2.Principiul lucrrii. Motorul, din punct de vedere termodinamic, este un sistem deschis neizolat, care are

dou intrri (aer i combustibil) i o singur ieire (gazele evacuate). In conformitate cu primul principiu al termodinamicii se poate scrie urmtoarea ecuaie de bilan energetic:

PQhmhmhmextccaagg

[ kW ] (1) n care: gm , gh sunt debitul i entalpia gazelor evacuate;

am , ah sunt debitul i entalpia aerului aspirat;

cm , ch sunt debitul i entalpia combustibilului consumat;

ext

Q reprezint suma schimburilor de cldur efectuate cu exteriorul; P este puterea dezvoltat. Motorul primete cldur din exterior sub forma cldurii dezvoltate prin arderea

combustibilului ( ardQ ) i cedeaz cldur ctre exterior prin sistemul de rcire ( rQ

) i prin

corpul su ( corpQ ). Diferena fluxurilor de entalpie din membrul stng al ec.(1) reprezint

cldura ( gQ ) purtat ctre exterior de ctre gazele evacuate. In baza acestor considerente,

ec.(1) capt forma:

corprgard QQQPQ [ kW ] (2)

i se numete ecuaia de bilan termic a motorului.

3.Determinarea experimental a termenilor ecuaiei de bilan.

3.1. Cldura dezvoltat prin ardere. Cldura dezvoltat prin arderea combustibilului se exprim:

icard HmQ [kW ] (3)

n care, pentru motorin, puterea calorific inferioar este Hi=4,1855 104 kJ/kg

Debitul de combustibil se determin prin cronometrarea timpului c [s] n care se consum un volum Vb=255 cm

3 de motorin, coninut n interiorul unui balon de sticl. Schema instalaiei de msurare este prezentat n fig.1. Formula de calcul este:

c

cb

c

Vm

610 [kg/s] (4)

n care densitatea motorinei este c=880 kg/m3.

Fig.1 Schema instalaiei de msurare a consumului de combustibil

1-rezervor de combustibil

2-balon de sticl cotat 3-robinet cu trei ci

3.2. Puterea dezvoltat de motor Motorul este ncrcat cu o sarcin artificial prin intermediul unui dispozitiv care se numete frn hidraulic. Schema acestui dispozitiv este prezentat n fig.2. Deplasarea f a acului indicator pe cadranul gradat este proporional cu momentul la arbore. Msurndu-se turaia motorului nr [rot/min] puterea se exprim:

1360

rnfP

[kW ] (5)

Fig.2 Msurarea puterii cu ajutorul frnei hidraulice

3.3. Cldura cedat prin gazele evacuate. Cldura transportat ctre exterior de gazele evacuate din motor se exprim prin relaia:

ccaaggg hmhmhmQ [ kW ] (6) n care, debitul de gaze este:

cag mmm [kg/s ] (7)

Debitul de aer se msoar cu ajutorul unei diafragme montate pe conducta de aspiraie a motorului. Schema instalaiei de msurare este prezentat n fig.3. Debitul de aer se citete

din diagrama prezentat n fig.3, n funcie de diferena de presiune p msurat. Deoarece parametrii de stare ai aerului atmosferic difer de parametrii pentru care a fost calculat curba din fig.4, debitul citit din diagram trebuie corectat, formula de corecie fiind:

pa 1

V

2

3

spre motor

pa

pa

f (div)

a

aa

T

T

p

pmm 0

0

0

3600

[kg/s ] (8)

n care p0=760 mm Hg i T0=273 K. Entalpia aerului, respectiv combustibilului se calculeaz cu relaiile:

ccc

apaa

tch

tch

[kJ/kg ] (9)

n care cldura specific pentru aer este cpa=1 kJ/kgK iar pentru combustibil cc=2,93 kJ/kgK.

Fig.3 Msurarea debitului de aer Fig.4 Debitul de aer funcie de p

Gazele de ardere sunt un amestec format din mai multe gaze, compoziia medie a acestora fiind:

%5,3%;8,74%;2,10;%1%;5,10 2222 ONOHCOCO Cu ajutorul tabelelor de clduri specifice molare reale la presiune constant, se determin valorile cldurilor specifice pentru fiecare component, la temperatura gazelor tg: Rezult valoarea cldurii specifice molare la presiune constant pentru gazele de ardere:

2222 22221001

OCNCOHCCOCCOC

rCC

MpOMpNOMpHMpCOMpCO

iiMpMpg

(10)

Masa molar a gazelor de ardere se calculeaz cu relaia:

2222 2222100

1OMNMOHMCOMCOM

rMM

ONOHCOCO

iig

(11)

rezultnd valoarea entalpiei gazelor de ardere:

g

gMpg

gM

tCh

[kJ/kg] (12)

0

2 5

5 0

7 5

1 0 0

1 2 5

1 5 0

1 7 5

2 0 0

2 2 5

2 5 0

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0

p [mm H2O]

m0 [kg/h]

p

spre motor

3.4. Cldura cedat prin sistemul de rcire. Cldura cedat ctre exterior prin radiatorul motorului se determin cu formula:

ieararr ttcmQ [ kW] (13) n care: te, ti sunt temperaturile de ieire, respectiv intrare ale apei; car = 4,185 kJ/kgK este cldura specific a apei.

arm este debitul de ap de rcire

Debitul de ap de rcire se determin prin cronometrarea timpului c [s] n care prin sistemul de rcire trece un volum de ap Var [m

3] msurat cu ajutorul unui apometru. Relaia de calcul este:

ar

arar

ar

Vm

[kg/s ] (14)

n care densitatea apei este ar=1000 kg/m3.

3.5. Cldura cedat prin corpul motorului. Cldura cedat ctre exterior prin contactul dintre aerul nconjurtor i corpul cald al motorului nu poate fi exprimat analitic si rezult ca termen de nchidere al bilanului:

rgardcorp QQPQQ [kW ] (15)

4. nregistrarea datelor experimentale Datele necesare se msoar i se nregistreaz n tabelul 1.

Tabelul 1. Datele experimentale f nr

[rot/min] c [s]

ar [s]

Var

[m3]

te

[oC]

ti [oC]

p [mmH2O]

m0

[kg/h]

tc [oC]

tg [oC]

ta [oC]

pa

[mmHg]

5. Prelucrarea datelor experimentale.

Pe baza datelor nregistrate n tabelul 1 i a relaiilor prezentate la pct.3, se va calcula mrimea termenilor bilanului. Rezultatele se centralizeaz n tabelul 2.

Tabelul 2 Termenii bilanului

Termenul ardQ P gQ

rQ corpQ

kW

% 100

Pe baza datelor din acest tabel se ntocmete la scar, pe hrtie milimetric diagrama de bilan (diagrama Sankey). Pentru determinarea eficienei cu care este utilizat cldura degajat prin arderea combustibilului se calculeaz randamentul termic efectiv:

100ard

eQ

P

[ %] (16)

Ali indicatori caracteristici, crora li se calculeaz valoarea, sunt:

- consumul orar de combustibil:

ch mC 3600 [kg/h] (17)

- consumul specific de combustibil:

P

Cc h [kg/kWh] (18)

La motoarele cu aprindere prin comprimare, valorile randamentului efectiv trebuie s se ncadreze n limitele 0,290,40 iar cele ale consumului specific n limitele 0,2170,285 kg/kWh.

Diagrama Sankey se construiete dup modelul de mai jos, limea fiecrei benzi fiind

proporional cu ponderea fiecruia dintre termenii reprezentai n ardQ .

Fig.5. Diagrama Sankey