Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

93 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

Unitatea de învăţare nr. 5

PROCESUL DE DESTINDERE Cuprins Pagina

Obiectivele unităţii de învăţare nr. 5 94

5.1 Analiza procesului de destindere 94

5.2 Determinarea parametrilor fluidului motor la sfârşitul procesului de destindere 96

5.3 Influenţa diverşilor factori asupra procesului de destindere 98

Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 5 100

Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare 100

Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 5 101

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

94 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 5

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 5 sunt:

• Înţelegerea modului cum se desfăşoară procesului de destindere.

• Familiarizarea cu modul de calcul al parametrilor. • Recunoaşterea factorilor ce influenţează procesul de

destindere.

5.1 Analiza procesului de destindere Procesul de destindere reprezintă, în desfăşurarea ciclului motor, principala evoluţie producătoare de lucru mecanic disponibil, realizată prin transformarea energiei gazelor de ardere în energie mecanică, efectul fiind deplasarea pistonului de la p.m.i. la p.m.e. Aceasta se explică prin acumulare de energie internă de către fluidul motor în timpul arderii, prin creşterea de temperatură, după încheierea căreia fluidul motor degajează parţial această energie sub forma lucrului mecanic al pistonului. Teoretic, destinderea poate fi considerată ca începând în momentul scăderii presiunii gazelor după atingerea presiunii maxime pe ciclu (punctul z din fig. 1,a); tot teoretic, se poate considera că atât masa cât şi compoziţia fluidului motor rămân invariabile în timpul procesului de destindere. În realitate, arderea continuă pe o anumită durată a începutului destinderii, datorită imperfecţiunii formării amestecului în interiorul motorului cu aprindere prin comprimare, iar acest fenomen de postardere conduce la modificarea compoziţiei chimice a amestecului final şi degajarea unei cantităţi de căldură posterioare Qpost, ce scade continuu până la anulare în momenetul terminării reacţiilor de ardere (punctul t, fig. 1,a).Sfârşitul procesului de destindere se consideră, teoretic, la p.m.e., în realitate însă încheierea producându-se în momentul deschiderii organului de e- vacuare, supapă de evacuare sau ferestre de evacuare (punctul d.s.e., pentru M4t, fig. 1,a). Ca şi în cazul procesului de comprimare, destinderea ar putea fi considerată, teoretic, ca un proces adiabatic. În realitate, datorită faptului că temperatura gazelor este permanent superioară celei a pereţilor cilindrului, procesul de destindere se desfăşoară în condiţiile unei cedări permanente de căldură către aceştia. La începutul destinderii, diferenţa menţionată de temperatură este mai mare, suprafaţa de schimb de căldură fiind însă mai redusă; odată cu deplasarea pistonului spre p.m.e., se ajunge la creşterea suprafaţei laterale de schimb de căldură şi la reducerea temperaturii gazelor.

Fig. 1

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

95 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

Datorită fenomenului anterior, evoluţia de destindere, ca şi cea de comprimare se desfăşoară politropic. Exponentul politropic al destinderii, nd, este variabil pe întreaga durată a procesului, aşa cum este redat în figura 1,c, mărimea sa depinzând de următorii factori: arderea posterioară, prin care se realizează un surplus de căldură (Qpost), ce produce creşterea temperaturii gazelor, exponentul politropic fiind inferior celui adiabatic: nd<kd; valori experi-mentale ale exponentului politropic mediu se situează în gama 1.1÷1.2, pentru prima etapă a procesului de destindere transferul de căldură dinspre gazele de ardere spre pereţii cilindrului, ceea ce produce o creştere a exponentului politropic în continuarea destinderii, spre valorile 1.4÷1.5, superioare celui adiabatic, nd>kd.. Exponentul politropic mediu se poate determina prin diferenţierea relaţiei:

=dn

pV const., (1) de unde, analog comprimării, rezultă exponentul politropic de destindere:

,dV

dp

p

Vnd −= (2)

unde raportul dp/dV se poate calcula prin metode numerice Ca şi în cazul comprimării, dependenţa de turaţie a exponentului politropic mediu de destindere, unul dintre factorii majori ce influenţează procesul în discuţie, se poate exprima printr-o relaţie empirică:

,n

ba

dn += (3)

cu a=1.15÷1.20 şi b=80÷120, valabilă în special pentru motoare cu aprindere prin comprimare de puteri medii, cu camere divizate. Pe baza diagramei entropice T-s din figura 2, se poate face o analiză mai detaliată a evoluţiei de destindere din punct de vedere energetic. Astfel, se constată că în zona z-t temperatura gazelor creşte, Qpost>Q’ c+Q” c, unde Q’ c este căldura pe care gazele o cedează prin transformare în lucru mecanic, iar Q’’ c este căldura cedată de gaze pereţilor cilindrului. Pe măsura desfăşurării dstinderii, Qpost se reduce, în momentul atingerii stării t, în care nd=1, avem egalitatea: Qpost=Q’ c+Q” c; în punctul t se atinge temperatura maximă a gazelor. În continuare, Qpost<Q’ c+Q” c, temperatura începând să scadă. În intervalul t-z’, temperatura scade, dar entropia creşte, Qpost fiind mai mare decât Q’’ c; în punctul z’, Qpost= Q” c, iar entropia începe să scadă, Qpost va scădea, de asemenea, continuu, până la anularea reacţiilor chimice, ceea ce se produce aproximativ în vecinătatea punctului z’, când nd=kd, pentru ca în intervalul z’-b destinderea să se efectueze fără aport de căldură, entropia şi temperatura scăzând; corespunzător avem nd>kd.

Fig. 2

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

96 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

5.2 Determinarea parametrilor fluidului motor la sfârşitul procesului de destindere

Determinarea parametrilor fluidului motor la finele procesului de destindere se face, pentru cazul simplificat, util calcului ciclului termic al motorului, prin adoptarea unor ipoteze simplificatoare, cum ar fi: arderea se sfârşeste în punctul z, deci nu avem postardere; de asemenea, în timpul destinderii nu intervine schimb de căldură între gazele de ardere şi pereţii cilindrului şi nu există scăpări de gaze prin neetanşeităţi. Determinarea exponentului politropic mediu de destindere. În relaţiile urmatoare, cu νz s-a notat numărul de kilomoli din starea z, iar Aj şi Bj sunt coeficienţii polinomiali ai căldurilor specifice, limitate la funcţii liniare cu temperatura adică, după prelucrări, se ajunge la ecuaţia transcendentă:

ερ++=

−ℜ −1

11

dn

zd

BTAn

, (4)

unde ε -raportul de comprimare, iar coeficienţii A şi B sunt:

,1

1

1

1

1

1

νν

=

νν

=

∑

∑

=

=

n

jj

zj

z

n

jj

zj

z

BB

AA

(5)

Determinarea temperaturii şi presiunii fluidului motor la sfârşitul procesului de destindere. În ipotezele menţionate anterior (destindere între stările z şi b, evoluţie politropă efectuată cu un exponent politropic aparent nd, determinat anterior, etc.), parametrii la sfârşitul destinderii se pot determina prin setul de relaţii:

=

=

=

=

=

=

=

−

−−

ab

nz

n

z

n

b

zzb

nz

n

z

n

b

zzb

VV

TTV

VTT

ppV

Vpp

d

dd

d

dd

1

111

1

δερ

δερ

, (6)

unde parametrii stărilor anterioare (a, z) se cunosc din studiul evoluţiilor respective, iar ρ şi ε sunt rapoartele definite anterior: ρ=Vz/Vc, raportul de destindere preliminară şi ε=Va/Vc raportul de comprimare. Corelaţia dintre parametrii proceselor de comprimare şi destindere. Datorită asemănărilor dintre cele două evoluţii din cilindrul motor (efectuare de lucru mecanic, de către mediu asupra sistemului termodinamic în cazul comprimării şi de către sistem asupra mediului în cazul destinderii; ipoteze de calcul identice, etc.), se poate stabili o

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

97 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

interdependenţă între parametrii proceselor menţionate. Pentru aceasta, scriem ecuaţia de stare în a (începutul comprimării) şi într-un punct x oarecare de pe curba de destindere:

( )( ) ,1

1

ℜ+=ℜ+=

xxrxx

araa

TLVp

TLVp

βγγ

(7)

de unde, prin raportare, se obţine relaţia

,xa

x

xax T

Tpp β

εε= (8)

în care βx este raportul instantaneu de variaţie moleculară, definit ca raportul (supraunitar, în cazul arderii în exces de aer, situaţie specifică motoarelor navale) dintre cantitatea de produse ale arderii şi cantitatea de încărcătură proaspătă:

( ) ,1 r

rpax L γ+

ν+ν=β (9)

unde mărimile care intervin au fost explicitate în cursurile anterioare, iar εx este raportul de comprimare curent, dat de:

.c

xx V

V=ε (10)

Pentru starea c (sfârşit de comprimare), avem: εx=βx=1, iar (8) devine:

a

cac T

Tpp ε= , (11)

de unde, făcând raportul membru cu membru al ecuaţiilor (8) şi (11), obţinem:

.c

x

x

xcx T

Tpp

εβ= (12)

Lucrul mecanic de destindere. Se determină prin analogie cu expresia lucrului mecanic de comprimare, deci: ,dszb pVL = (13) unde cu dp s-a notat presiunea medie pe destindere (fig. 3). Acest lucru mecanic de destindere se poate scrie sub forma definitivă:

( )

.11

0

0i

vi

a

arc p

p

LTp

p

TLL

ηℜ=

γ+ℜ

ε−ε= (14)

Fig. 3

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

98 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

5.3 Influenţa diverşilor factori asupra procesului de destindere Ca şi în cazul comprimării, studiul influenţei diverşilor factori asupra procesului de destindere se poate efectua, în principal, prin analiza efectelor asupra exponentului politropic aparent al destinderii. Mai precis, variaţia oricărui factor ce produce o creştere a căldurii degajate prin postardere Qpost conduce la micşorarea exponentului politropic nd, iar creşterea căldurii cedate pereţilor Q’’ c determină mărirea exponentului politropic de destindere. • Turaţia. Mărirea turaţiei conduce la creşterea duratei aderii, la o creştere a căldurii

Qpost, deci la micşorarea exponentului politropic. Totodată, reducerea duratei destinderii micşorează Q’’ c, cu acelaşi efect de reducere a exponentului politropic de destindere.

• Sarcina. Reducerea sarcinii, cu menţinerea constantă a turaţiei, conduce la micşorarea cantităţii şi temperaturii gazelor arse, deci la diminuarea schimbului de căldură de la gaze spre pereţi. Totodată, postarderea se micşorează considerabil, destinderea începând mai devreme. S-a demonstrat şi experimental creşterea proporţională a exponentului politropic cu sarcina.

• Dimensiunile cilindrului. La cilindrii similari geometric, cu menţinerea constantă a raportului S/D, se reduce suprafaţa de schimb de căldură, deci se micşorează şi transferul de căldură, implicit exponentul politropic de destindere. În schimb, la menţinerea constantă a volumului cilindrului, raportul S/D creşte, paralel cu creşterea suprafeţei laterale a unităţii de volum şi a cantităţii de căldură transferate pereţilor cilindrului, cu efect mărirea exponentului politropic de destindere.

• Arhitectura camerei de ardere. Camerele de ardere divizate prezintă suprafeţe laterale mari, iar cele amplasate în piston au o răcire slabă. Astfel arhitectura camerei de ardere, corelată şi cu capacitatea acesteia de a organiza mişcări intense ale gazelor, poate influenţa valoarea exponentului de destindere.

• Caracteristicile combustibilului. Durata postarderii poate fi micşorată prin creşterea vitezei de ardere, dependente de caracteristicile combustibilului, ceea ce conduce la mărirea exponentului politropic mediu.

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

99 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

De reţinut! Procesul de destindere reprezintă, în desfăşurarea ciclului motor, principala evoluţie producătoare de lucru mecanic disponibil, realizată prin transformarea energiei gazelor de ardere în energie mecanică, efectul fiind deplasarea pistonului de la p.m.i. la p.m.e..

Test de autoevaluare 6 1. În figura PT 3, ce proces marcat de linia d-e are loc: a) Destinderea gazelor de ardere; b) Rotaţia arborelui cotit cu 90oRAC; c) Creşterea volumui şi a presiunii; d) Ambele răspunsuri a) şi b). 2. În motorul diesel, procesele de admisie, comprimare, ardere cu destindere şi evacuare sunt realizate prin: a) Două rotaţii ale arborelui cotit la motorul în patru timpi; b) Două curse de destindere la motorul în patru timpi; c) cursă la motorul în doi timpi; d) Două curse ale pistonului la motorul în doi timpi. 3. Procesul de baleiaj la motorul în patru timpi se produce: a) Începând cu ultima parte a cursei de evacuare şi continuând în prima

parte a celei de admisie; b) Numai în ultima parte a cursei de admisie; c) Numai în perioada iniţială a injecţiei de combustibil; d) Începutul cursei de destindere.

PT 3

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

100 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

Lucrare de verificare la Unitatea de înv ăţare nr. 5 Desenaţi diagrama indicată a unui motor în doi timpi şi diagrama circulară a fazelor şi comentaţi pe baza acestor diagrame evoluţia gazelor din motor.

Răspunsuri şi comentarii la întreb ările din testele de autoevaluare 1-a ;2-a ;3-a

Recapitulare Recapitulaţi procesul de comprimare şi faceţi o comparaţie între acesta şi procesul de destindere.

Concluzii Toate procesele ce au loc în motor au scopul de a permite ca pe durata destinderii să se poată obţine cât mai multă energie sub formă de lucru mecanic.

Bibliografie 1. Apostolescu, N., Chiriac R. Procesul arderii In motorul cu ardere internă, Editura Tehnică, Bucureşti, 1998. 2. Aramă, C., Grunwald, B. Motoare cu ardere internă. Procese şi caracteristici, Editura Tehnică, Bucureşti, 1966. 3. Buzbuchi, N., Stan, L.: Procese şi caracteristici ale motoarelor navale, Colecţia Maşini Navale, Editura Nautica, ISBN 978-973-7872-78-4, 200 pag., Constanţa, 2008 4. Buzbuchi, N., Sabău, A. Motoare diesel navale. Procese, construcþie, exploatare, ISBN 973-8143-77-2, Editura Bren, Bucureşti, 781 pag., 2001; Editura Ex Ponto (ediþia a II-a), Constanþa, 2002.

Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă

101 Procese şi caracteristici în motoarele cu ardere internă – Curs şi aplicaţii

5. Buzbuchi, N., Manea, L., Dragalina, A., Moroianu, C., Dinescu, C. Motoare navale. Vol. 1: Procese şi caracteristici, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1997. 6. Buzbuchi, N. Şoloiu, V.A., Dinescu, C., Lyridis D.V. Motoare navale. Vol. 2: Supraalimentare*Dinamică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1998. 7. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamantals, McGraw-Hill Book Company, 1988. 8. Vasilescu, C.A., Pimsner, V. Supraalimentarea motoarelor diesel, Editura tehnica, Bucureşti, 1965. 9. Pounder, C.C. Marine Diesel Engines, Newnes-Butterworth, London, 1976. 10. Taylor, C.H. The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, the MIT Press. 11. Taylor, D.A. Introduction to Marine Engineering. 2nd ed. London, Butterworth, ISBN 07-50-6253-91, 990. 12. Ferguson, C. R. Internal Combustion Engines, John Wiley & Sons, 1986. 13. *** STCW Modul Courses 7.02, 7.04.