ANALIZA PROCESULUI DE ARDERE LA

MAS ŞI MAC

Viteza de ardere a amestecurilor de combustibil şi aer în motoare.

Procesul de transformare a energiei chimice a combustibilului în energie

calorica prin reacţii de oxidare, respectiv prin ardere, nu se produce instantaneu cum

s-a presupus la analiza ciclurilor ideale, ci în timp finit, respectiv printr-o înaintare

treptata a frontului de ardere în masa de amestec de combustibil şi aer.

Propagarea frontului flăcării în procesul arderii, adică deplasarea zonei de

reacţie, se poate face cu diferite viteze în funcţie de influenţa ce 0 manifestă factorii

chimici şi fizici ce însoţesc arderea.

Viteza de propagare a flăcării împreună cu viteza reacţiilor de oxidare a

moleculelor de combustibil determină durata arderii masei de amestec aflat în camera

de ardere

Durata totală a arderii întregii cantităţi de amestec se compune din următoarele

elemente:

- timpul necesar pentru producerea primelor reacţii de ardere ('apariţia flăcării);

- timpul necesar pentru propagarea zonei de reacţie în întregul volum al

camerei de ardere;

- timpul necesar pentru desăvârşirea reacţiilor de ardere care se produc în

volumul de gaze deja străbătut de flacără (în pungile de gaze încercuite de frontul

flăcării).

Durata primei şi ultimei faze de ardere depinde de viteza reacţiilor chimice de

oxidare Wr exprimată prin cantitatea de substanţă ce reacţionează în unitatea de timp

pe unitatea de volum, adică de cinetica procesului de oxidare (în kg/cm3 sau

mol/cm3).

Durata celei de a doua faze a arderii este determinată de viteza de propagare a

flăcării u în m/s care depinde nu numai de viteza reacţiilor chimice, ci şi de alţi

factori ca, spre exemplu, de turbionarea amestecului în camera de ardere.

Viteza masică de ardere sau pe scurt, viteza de ardere este un parametru foarte

important al ciclului, deoarece mărimea sa determină viteza de degajare a căldurii şi

împreună cu aceasta presiunea şi temperatura gazelor în perioada arderii.

La motoarele cu cicluri diferite, procesul de ardere se desfăşoară diferit,

deoarece caracterul său depinde de o serie de factori ca: modul de formare a

amestecului şi procedeul de aprindere a acestuia.

La motoarele cu carburator cu aprindere prin scânteie amestecul este practic

omogen. Amestecul pregătit în prealabil este caracterizat de coeficientul de exces de

aer X. Arderea acestui amestec în stratul frontului flăcării care se propagă în camera

de ardere de la punctul de aprindere în direcţia amestecului nears, este foarte intensă

şi se caracterizează în acest caz nu prin viteza reacţiilor chimice, care la temperatura

flăcării este suficient de ridicată, ci prin viteza de propagare a flăcării, care la

motoarele cu aprindere prin scântei este de ordinul 40 m/s, valoare destul de ridicată.

La motoarele cu aprindere prin comprimare arderea decurge mai puţin intens,

ceea ce se explică prin lipsa unei pregătiri prealabile foarte

bune a amestecului de compoziţie determinată şi prin lipsa unei surse suplimentare de

aprindere. In acest caz are loc o autoaprindere, arde un amestec eterogen de

combustibil şi aer, de compoziţie variabilă, în timp şi ca dispunere în volumul

camerei de ardere.

La aceste motoare viteza de ardere a combustibilului injectat în cilindru se

limitează nu de către viteza de propagare a flăcării, ci de alţi factori ca: viteza de

pregătire pentru autoaprindere a primelor cantităţi de combustibil injectat (la

începutul procesului) şi viteza de amestecare a combustibilului cu aerul (în ultima

parte a procesului).

Viteza de amestecare a combustibilului cu aerul depinde de viteza de difuzie

dintre moleculele de combustibil şi oxigen şi intensitatea transportului turbionar de

masă în timpul arderii.

Prin urmare arderea în motoarele cu aprindere prin scânteie este foarte diferită

de arderea din motoarele cu aprindere prin comprimare ceea ce impune analiza

separată a arderii în aceste tipuri de motoare.

ARDEREA NORMALĂ ŞI FAZELE SALE PRINCIPALE

(MAS)

Pentru dezvoltarea oportună a procesului de degajare a căldurii cu socotirea

timpului de ardere a amestecului, aprinderea se efectuează înainte ca pistonul să

ajungă în p.m.s. în cursa de compresie. Unghiul manivelei corespunzător acestui

moment faţă de p.m.s. se numeşte unghi de aprindere şi pentru motoarele

moderne cu carburator se află la limitele înainte de p.m.s.

In figura 4.4 se arată diagrama indicată desfăşurată în coordonate p-a, care

permite să se urmărească caracterul variaţiei presiunii gazelor în cilindru în funcţie

de unghiul de rotaţie a arborelui cotit.

După cum se vede, între momentul producerii scânteii (1) şi punctul 2 nu se

produce o creştere aprec iabi lă a presiunii, respectiv creşterea presiunii prac t ic

nu se deosebeşte de cazul comprimăr i i cu aprindere deconectată (linie

întreruptă).

După punctul 2 presiunea creşte rapid până la valoarea maximă (3), iar apoi în

cursa de destindere descreşte (punctul 4).

TIMPUL ARDERII LA MAS ARE TREI FAZE:

faza I de iniţiere a arderii,(1-2)

faza a II-a de propagare a flăcării (2-3)

faza a III-a de desăvârşire a arderii în timpul destinderii

,(3-4)

Faza I este faza iniţială sau perioada de inducţie. În această fază se arde o

cantitate redusă de amestec în jurul bujiei (6-8%), iar presiunile şi temperaturile nu

cresc vizibil deoarece căldura degajată abia compensează pierderile de căldură prin

pereţii camerei de ardere.

Această fază se desfăşoară pe şi se mai numeşte întârziere la

aprindere.

Faza a II-a care este faza principală de ardere şi se desfăşoară pe(10-25°RAC),

determină mersul liniştit al motorului, adică caracterul creşterii presiunii care se

apreciază prin creşterea de presiune pe 1°RAC, respectiv (fig.4.4,b).

Pentru perioada de la începutul arderii până la atingerea presiunii maxime, la

motoare cu viteza medie de creştere a presiunii este:

Acesta este un indice foarte important deoarece manifestă influenţă asupra

uzurii motorului şi prin urmare asupra durabilităţii motorului în ansamblu.

Practica a arătat că motoarele au o funcţionare corespunzătoare dacă :

,

deoarece la valori mai mici arderea se prelungeşte în destindere, iar la valori mai mari

motorul are o funcţionare dură.

De asemenea encienta maximă se obţine dacă presiunea maximă de ardere se

atinge la după p.m.s.

Faza a III-a este faza finală şi începe după atingerea presiunii maxime (punctul

3), încheindu-se în destindere (punctul 4).

În această fază de postardere sau ardere întârziată, se desăvârşesc reacţiile de

ardere a combustibilului care nu s-a ars în fazele precedente.

Figura 4..5 Schema propagării arderii în camera de ardere la p.m.s.: 1-zonă străbătută de flacără ; 2-zonă neaprinsă ; 3-frontul de flacără ; 4-amestecul care arde la urmă .

Viteza de ardere în acest caz are valori reduse , iar aria frontului de flacără se micşorează . Durata acestei faze sete de (30-50 RAC) , iar sfârşitul arderii este greu de precizat , putându-se aprecia numai după cantitatea da combustibil arsă , respectiv după căldura degajată în raport cu căldura furnizată ciclului .

ARDEREA ÎN MOTORUL CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE

(MAC)

Arderea amestecului neomogen se deosebeşte esenţial de arderea amestecului

omogen. Procesul formării amestecului şi pregătirea sa pentru aprinderea în motorul

cu aprindere prin comprimare, începe din momentul injectării combustibilului în

camera de ardere, adică de la 10-40° RAC înainte de a ajunge pistonul în p.m.s.(fîg.

4.23).

Timpul disponibil pentru toate procesele de pregătire a

amestecului pentru autoaprindere este foarte scurt şi în motoarele

cu aprindere prin comprimare aceste procese se realizează în (0,04-

0,001)s , valorile mari referindu-se la motoarele lente ,iar cele mici

la motoarele rapide .

Fig. 4.23. Camera de ardere cu prindere prin flacără

Timpul disponibil pentru pregătirea şi formarea amestecului

pentru aprindere la motoarele cu carburator este de câteva ori mai

mare decât la motoarele cu aprindere prin comprimare.

Fazele de formare şi pregătire a amestecului pentru

autoaprindere la motoarele cu aprindere prin comprimare

(pulverizarea combustibilului din injector şi proiectarea sa

în camera de ardere, încălzirea picăturilor şi vaporizarea lor,

formarea prodigelor intermediare deoxidare şi în final,

aprinderea) se suprapun în timp una cu alta şi se prelungesc până

după aprindere.

În aceasta constă particularitatea şi în acelaşi timp

complexitatea studierii proceselor de ardere în aceste motoare.

Combustibilul injectat în cilindru ajunge în mediul comprimat şi

prin urmare încălzit, aerul având în general presiuni de (3-4) MPa şi

temperaturi de 800-1000K.

FAZELE ARDERII ÎN MAC

În figura 4.24,a se prezintă diagrama indicată desfăşurată,

unde 12 este perioada de întârziere la autoaprindere, 2-3 perioada

de creştere bruscă a presiunii, 3-4 perioada dezvoltării temperaturii

maxime a ciclului şi apoi perioada desăvârşirii arderii din momentul

atingerii temperaturii maxime a ciclului până la sfârşitul arderii.

Fig. 4.24.(a)

În figura 4.24,b se prezintă caracteristica de injecţie şi de

degajare a căldurii. Curba descrie legea de injecţie a

combustibilului, curba reprezintă variaţia fracţiunilor de

căldură degajată, arată variaţia presiunii de injecţie şi

viteza de degajare a căldurii în funcţie de timp sau de unghiul de

rotaţie al arborelui cotit.

Fig. 4.24.(b)

Fazele de ardere sunt reprezentate în fracţiuni din timpul de

desfăşurare a ciclului (fig.4.24,b) sau pot fi delimitate într-o

diagramă p-a în °RAC .

TIMPUL ARDERII LA MAC ARE PATRU FAZE:

I - faza pregătirii zonelor de autoaprindere (întârzierea

la autoaprindere);(1-2)

II - faza dezvoltării zonelor de autoaprindere şi

propagării flăcării denumită şi faza arderii rapide;(2-3)

III - faza de ardere a masei de bază a amestecului

(arderea moderată); (3-4)

IV -faza arderii relativ încetinite a componentelor de

amestec rămase din faza precedentă (postarderea cu

ardere în destindere)(4-5).

Faza a I-a - se desfăşoară în intervalul de timp din momentul

începerii reale a injectării combustibilului (1) până în momentul

creşterii rapide de presiune (2).

În timpul acestei faze pătrunde în cilindru 30-40% din întreaga

cantitate de combustibil pentru un ciclu (la unele motoare rapide

cantitatea de combustibil injectat poate fi chiar de 100%).

Durata primei faze, este de (0,002-0,006) s sau 10-30°RAC, şi

determină caracterul desfăşurării fazelor următoare în funcţie de

diferiţi factori.

Faza a II-a - se observă o foarte intensă degajare de căldură

şi o creştere bruscă de presiune, corespunzătoare

perioadei (2- 3) această fază injecţia de combustibil continuă

mărind concentraţia acestuia în amestec. În această fază se degajă

30-50% din întreaga căldură furnizată ciclului.

Faza a III-a - injecţia de combustibil de obicei încetează şi arde

masa de bază a amestecului de combustibil şi aer.

Se mai numeşte şi faza arderii progresive, deoarece menţine

(p=ct.) pe o anumită perioadă de timp. În afară de aceasta, faza a

treia se caracterizează prin temperaturi înalte ale gazelor

(sfârşitul fazei a treia).

Faza a IV-a - începe din momentul atingerii temperaturii

maxime de ardere în cilindru . Se socoteşte că limita sfârşitului

arderii poate fi momentul când degajarea de căldură atinge 95-97%

din căldura totală degajată de ciclu.

Faza este caracterizată de micşorarea vitezei de degajare a

căldurii şi de micşorarea vitezei de ardere. Injecţia de

combustibil şi creşterea cantităţii de produse finale de ardere nu

mai are loc. O mare durată a fazei de postardere poate provoca o

ridicare a temperaturii gazelor arse şi a pierderilor termice prin

sistemul de răcire precum şi mărirea solicitării termice a pieselor.

Pentru micşorarea duratei fazei a patra este necesară o

intensificare a turbionarii amestecului şi a duratei injecţiei

combustibilului în faza a treia.

ANALIZA COMPARATIVĂ A CAMERELOR DE ARDERE ALE MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE

După cum se vede în figura 4.25 există multiple posibilităţi de realizare a camerelor de ardere unitare.

Figura 4.25. Camere de ardere unitare

Camerele unitare sunt acele camere în care arderea se

desfăşoară într-un compartiment unic, delimitat de suprafaţă

chiulasei, capul pistonului şi pereţii cilindrului, compartiment în care

se injectează combustibil la sfârşitul compresiei .

O mare varietate de soluţii constructive există şi în cazul camerelor de ardere compartimentate, câteva dintre cele mai reprezentative fiind reprezentate în figura 4.32.

Figura 4.32. Schemele unor camere de ardere divizate: (a-d) - cu cameră de turbulenţă;

(e-g) - cu anticameră.

CONCLUZII:

Din punctul de vedere al rezervelor pentru forţarea

motoarelor prin supraalimentare, cele mai puţin

convenabile sunt cele cu camere divizate, deoarece la

creşterea presiunilor în cilindru cresc pierderile termice şi

gazodinamice.

Din punctul de vedere al economicităţii cele mai bine

situate sunt motoarele cu cameră unitară la care nu apar

pierderi gazodinamice importante la transferul gazelor în

diverse zone ale camerei şi au suprafeţele relative de

răcire cele mai mici, deci pierderi de căldură minime.

La motoarele cu camere de ardere unitare calităţile de

pornire sunt mai bune decât la motoarele cu camere

compartimentate.

Sarcinile dinamice la care sunt supuse piesele

mecanismului bielă-manivelă şi nivelul zgomotului în

funcţionare sunt mai mici în cazul motoarelor cu camere

de ardere compartimentate , acestea comportându-se

bine şi la regimuri tranzitorii de funcţionare, la

înrăutăţirea calităţii combustibilului, la scăderea presiunii

de injecţie.

În căzul camerelor de ardere compartimentate rezultă

concentraţii mai mici ale substanţelor nocive în gazele de

ardere faţă de nivelul concentraţiei acestora la motoarele

cu injecţie directă.