+ All Categories
Home > Documents > Proiectarea motoarelor

Proiectarea motoarelor

Date post: 07-Aug-2018
Category:
Upload: busu-cyp
View: 266 times
Download: 1 times
Share this document with a friend

of 411

Transcript
  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    1/410

    UNIVERSITATEA TRANSILVANIAFacultatea de Mecanic

    Proiectarea

    motoarelor pentru

    autovehicule

    Corneliu COFARUNicolae ISPAS

    Mircea NSTSOIUHoria ABITNCEI

    Horea-Rzvan ANCAMihai DOGARIUAnghel CHIRUVladimir ENI

    1997

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    2/410

    UNIVERSITATEA TRANSILVANIAFacultatea de Mecanic

    Proiectareamotoarelor pentru

    autovehicule

    Conf.dr.ing. Corneliu COFARUef lucr.ing. Nicolae ISPAS

    ef lucr.ing. Mircea NSTSOIUAsist.dr.ing. Horia ABITNCEIAsist.ing. Horea-Rzvan ANCAef lucr.ing. Mihai DOGARIU

    Prof.dr.ing. Anghel CHIRUConf.dr.ing. Vladimir ENI

    1997

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    3/410

    Refereni:Prof.dr.ing. Gheorghe BOBESCUProf.dr.ing. Nagy TIBERIUProf.dr.ing. Iosif SOARE

    MINISTERUL NVMNTULUIUNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV

    Redactare computerizat: Horea-Rzvan ANCACulegere text: Monica BACIUPrelucrare figuri: Gabriela MAILAT, Horea-Rzvan ANCACorectat: AutoriiComanda:

    Executat n cadrul Sectorului Reprografie

    Pentru uzul studenilor.PRE:

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    4/410

    CUPRINS:

    1. STABILIREA MRIMILOR SPECIFICE LA PROIECTAREAMOTOARELOR DE AUTOVEHICULE............................................................. 11

    1.1CERINE IMPUSE MOTOARELOR DE AUTOVEHICULE................................ 111.2STABILIREA PARAMETRILOR I INDICILOR MOTOARELOR PENTRUAUTOVEHICULE......................................................................................................... 11

    1.2.1 Stabilirea tipului motorului.................................................................................. 121.2.2 Stabilirea dimensiunilor fundamentale ale motorului......................................... 131.2.3 Stabilirea raportului de comprimare.................................................................... 151.2.4 Stabilirea raportului ntre raza manivelei i lungimea bielei.............................. 161.2.5 Stabilirea unor parametrii necesari calculelor la proiectare sau verificarea ...... 16

    1.3REGIMUL DE FUNCIONARE AL MOTORULUI LA CARE SE EFECTUEAZCALCULUL DE PROIECTARE.......................................................................................18

    2. CALCULUL TERMIC AL MOTORULUI CU ARDERE INTERN...................................................................................................................................... 19

    2.1INTRODUCERE .......................................................................................... 192.2PROBLEMATICA REZOLVATPRIN MODELUL PREZENT ........................... 202.3BAZELE TEORETICE ALE MODELRII PROCESELOR TERMO-GAZODINAMICE

    .................................................................................................................................. 212.3.1 Principiile de realizare ale modelului.................................................................. 212.3.2 Modelul cilindrului .............................................................................................. 23

    2.3.2.1 VARIAIA DE LUCRU MECANIC (dW/dt) ............................................... 24

    2.3.2.2 VARIAIA ENERGIEI TERMICE SCHIMBATE PRIN PEREI............... 252.3.2.3 VARIAIA DE ENERGIE TERMICREZULTATN URMA ARDERII

    COMBUSTIBILULUI............................................................................................................ 272.3.2.4 ENTALPIA GAZELOR CARE TRANZITEAZCILINDRUL .................... 292.3.2.5 PARAMETRII DE STARE............................................................................ 302.3.2.6 TRANSFORMAREA ECUAIEI ENERGIEI .............................................. 312.3.2.7 EVALUAREA EMISIILOR NOCIVE........................................................... 322.3.2.8 OBSERVAII ................................................................................................ 33

    2.3.3 Modelerea proceselor din sistemul de admisie................................................................ 332.3.3.1 Modelarea curgerii n conductele motorului............................................... 332.3.3.2 Modelarea supraalimentrii cu agregate speciale ..................................... 35

    2.3.4 Modelarea procesului de evacuare...................................................................... 402.3.5 Calculul mecanic.................................................................................................. 402.3.6 Calculul parametrilor integrali............................................................................. 41

    2.3.6.1 Pentru procesul de admisie:......................................................................... 412.3.6.2 Pentru schimbul de lucru mecanic: ............................................................. 422.3.6.3 Pentru transferul de energie termic:.......................................................... 432.3.6.4 Pentru procesul de ardere:........................................................................... 432.3.6.5 Pentru procesul de evacuare: ...................................................................... 432.3.6.6 Pentru parametrii de performan:.............................................................. 43

    2.4MODUL DE UTILIZARE AL MODELULUI..................................................... 44

    2.4.1 Stabilirea datelor de intrare.................................................................................. 442.4.1.1 CONDIIILE INIIALE............................................................................... 442 4 1 2 CONDIIILE LIMIT 45

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    5/410

    2.4.1.3 Parametrii sistemului de admisie .................................................................462.4.1.4 Parametrii sistemului de evacuare...............................................................462.4.1.5 Parametrii sistemului de supraalimentare (opional)..................................46

    2.4.2 Calculul evoluiei in timp a parametrilor de stare din motor ..............................472.4.2.1 CALCULUL CILINDRULUI........................................................................472.4.2.2 CALCULUL ADMISIEI................................................................................48

    2.4.2.3 CALCULUL EVACURII.............................................................................492.4.2.4 CALCULUL PARAMETRILOR MECANICI...............................................50

    2.4.3 CARACTERISTICILE MOTORULUI ..............................................................512.4.4 CALCULUL PARAMETRILOR INTEGRALI I DE PERFORMAN .....51

    2.5DESFURARAREAPROIECTULUI ...............................................512.5.1 Formularea temei de proiect (sau studiu) i a cerinelor.....................................52

    2.5.1.1 Formularea temei..........................................................................................522.5.2 Stabilirea soluiei constructive .............................................................................52

    2.5.2.1 Studiul modelelor similare............................................................................522.5.2.2 Analiza tendinelori a condiiilor de realizare ..........................................532.5.2.3 Adoptarea soluiei constructive ....................................................................53

    2.5.3 Stabilirea principalelor dimensiuni ......................................................................532.5.4 Analiza valorii.......................................................................................................57

    2.6ANEXE ...................................................................................................58

    3. CINEMATICA MECANISMULUI BIEL-MANIVEL ..................70

    4. DINAMICA MOTOARELOR................................................................. 73

    4.1FORELE CARE ACIONEAZN MECANISMUL BIEL-MANIVEL............734.1.1 Fora de presiune a gazelor...................................................................................734.1.2 Forele de inerie ...................................................................................................73

    4.1.2.1 Forele de inerie ale maselor n micare de translaie...............................744.1.2.2 Forele de inerie ale maselor n micare de rotaie....................................744.1.2.3 Masele pieselor n micare ale mecanismul biel-manivel .......................74

    4.1.3 Forele rezultante din mecanismul biel-manivel..............................................754.2MOMENTUL TOTAL AL MOTORULUI POLICILINDRIC.................................77

    4.2.1 Alegerea ordinii de lucru......................................................................................784.2.2 Calculul momentului total al motorului...............................................................80

    4.2.2.1 Momentul total al motoarelor cu cilindrii n linie .......................................804.2.2.2 Momentul total al motoarelor cu cilindrii n V ............................................82

    4.3FORELE CARE ACIONEAZASUPRA FUSULUI ARBORELUI COTIT..........83

    4.3.1 Forele care acioneazasupra fusului maneton. Diagrama polara fusuluimaneton.......................................................................................................................................844.3.2 Forele care acioneazasupra fusului palier. Diagramele polare ale fusurilor

    paliere..........................................................................................................................................864.3.3 Diagramele polare ale motoarelor cu cilindrii n V.............................................88

    4.3.3.1 Diagrama polara fusului maneton ............................................................884.3.3.2 Diagramele vectoriale ale fusurilor paliere.................................................88

    4.4ECHILIBRAREA MOTOARELOR..................................................................884.4.1 Echilibrarea motorului monocilindric..................................................................894.4.2 Echilibrarea motorului cu doi cilindri..................................................................91

    4.4.2.1 Motorul cu doi cilindri n linie......................................................................914.4.2.2 Motorul cu doi cilindri n V ..........................................................................934.4.2.3 Echilibrarea motorului cu doi cilindri opui................................................94

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    6/410

    4.4.4 Echilibrarea motorului cu patru cilindri .............................................................. 974.4.4.1 Echilibrarea motorului cu 4 cilindri n 4 timpi ........................................... 974.4.4.2 Echilibrarea motorului cu 4 cilindri n 2 timpi ........................................... 98

    4.4.5 Echilibrarea motorului cu cinci cilindri............................................................... 994.4.6 Echilibrarea motorului cu ase cilindri.............................................................. 104

    4.4.6.1 Echilibrarea motorului cuase cilindri n linie......................................... 104

    4.4.6.2 Echilibrarea motorului cuase cilindri n V de 120 ................................. 1054.4.6.3 Echilibrarea motorului cuase cilindri n V de 90o .................................. 1064.4.6.4 Echilibrarea motorului cuase cilindri n V la 150................................... 107

    4.4.7 Echilibrarea motorului cu opt cilindri ............................................................... 1094.4.7.1 Echilibrarea motorului cu opt cilindri n linie .......................................... 1094.4.7.2 Echilibrarea motorului cu opt cilindri n V ............................................... 110

    4.4.8 Echilibrarea motorului cu zece cilindri ............................................................. 1114.4.9 Echilibrarea motorului cu doisprezece cilindri ................................................. 113

    4.5CALCULUL VOLANTULUI........................................................................114

    5. PROIECTAREA BLOCULUI MOTOR.............................................. 116

    5.1PRINCIPII DE PROIECTARE A BLOCULUI MOTOR......................................1165.1.1 Blocul motor al motorului rcit cu lichid.......................................................... 1165.1.2 Blocul motoarelor rcite cu aer ......................................................................... 120

    5.2CALCULUL BLOCULUI MOTOR................................................................121

    6. PROIECTAREA CILINDRULUI......................................................... 122

    6.1PRINCIPII DE PROIECTARE A CILINDRULUI..............................................1226.1.1 Cilindrul motorului rcit cu lichid..................................................................... 1226.1.2 Cilindrul motorului rcit cu aer ......................................................................... 124

    6.2C

    ALCULUL CILINDRULUI........................................................................1256.2.1 Calculul cilindrului cu cmaumed .............................................................. 125

    6.2.2 Calculul cilindrului cu cmauscat ............................................................... 1266.3ELEMENTE DE ETANARE A CILINDRILOR..............................................128

    7. PROIECTAREA CHIULASEI.............................................................. 132

    7.1PRINCIPII DE PROIECTARE A CHIULASEI .................................................1327.1.1 Chiulasa motorului rcit cu lichid ..................................................................... 1327.1.2 Chiulasa motorului rcit cu aer.......................................................................... 135

    7.2CALCULUL CHIULASEI ...........................................................................1367.2.1 Calculul camerei de ardere ................................................................................ 1367.2.2 Calculul chiulasei la solicitri mecanice ........................................................... 136

    8. PROIECTAREA PISTONULUI ........................................................... 138

    8.1FUNCIUNILE PISTONULUI .....................................................................1388.1.1 Dimensiunile principale ale pistonului.............................................................. 1388.1.2 Principii de bazale proiectrii pistonului........................................................ 141

    8.1.2.1 CAPUL PISTONULUI ............................................................................... 1418.1.2.2 ZONA PORT-SEGMENI.......................................................................... 1438.1.2.3 FUNDUL PISTONULUI............................................................................ 1458.1.2.4 BOSAJELE ALEZAJELOR PENTRU BOL............................................. 146

    8.1.2.5 FUSTA PISTONULUI................................................................................ 1488.1.2.6 EFECTELE TERMICE ASUPRA PISTONULUI...................................... 150

    8 1 2 7 PROFILUL PISTONULUI 152

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    7/410

    8.1.2.8 MATERIALE PENTRU PISTOANE...........................................................1548.2CALCULUL PISTONULUI..........................................................................157

    8.2.1 Calculul pistonului la solicitrile mecanice.......................................................1578.2.1.1 Calculul capului pistonului.........................................................................157

    8.2.2 Calculul zonei port-segmeni .............................................................................1588.2.3 Calculul mantalei pistonului...............................................................................159

    8.2.4 Calculul jocurilor segmentului n canal.............................................................1608.2.5 Calculul profilului pistonului .............................................................................161

    9. PROIECTAREA SEGMENILOR......................................................162

    9.1PRINCIPII DE PROIECTARE ......................................................................1629.2CALCULUL SEGMENILOR......................................................................167

    9.2.1 Distribuirea presiunii radiale..............................................................................1689.2.2 Calculul profilului segmentului n stare liber ..................................................1709.2.3 Calculul grosimii radiale a segmentului ............................................................1739.2.4 Calculul tensiunilor n segment la montaj .........................................................174

    9.2.5 Calculul fantei segmentului................................................................................17410. PROIECTAREA BOLULUI .............................................................176

    10.1PRINCIPII DE PROIECTARE A BOLULUI ................................................17610.2CALCULUL BOLULUI ..........................................................................178

    10.2.1 Verificarea la uzur ..........................................................................................17810.2.2 Verificarea la ncovoiere..................................................................................17910.2.3 Verificarea la forfecare.....................................................................................18010.2.4 Calculul de ovalizare........................................................................................18010.2.5 Calculul jocului la montaj ................................................................................182

    11. PROIECTAREA BIELEI.....................................................................183

    11.1PRINCIPII PRIVIND PROIECTAREA BIELEI ..............................................18311.1.1 Piciorul bielei....................................................................................................18311.1.2 Corpul bielei .....................................................................................................18511.1.3 Capul bielei.......................................................................................................18511.1.4 uruburile de biel............................................................................................188

    11.2CALCULUL BIELEI ................................................................................18811.2.1 Calculul piciorului bielei..................................................................................188

    11.2.1.1 Solicitarea de ntindere.............................................................................18911.2.1.2 Solicitarea de compresiune.......................................................................19011.2.1.3 Solicitarea datoratpresrii bucei.........................................................192

    11.2.2 Calculul corpului bielei ....................................................................................19311.2.3 Calculul capului bielei......................................................................................195

    11.2.3.1 Calcululuruburilor de biel ...................................................................196

    12. PROIECTAREA ARBORELUI COTIT............................................198

    12.1PRINCIPII PRIVIND PROIECTAREA ARBORELUI COTIT............................19812.2CALCULUL ARBORELUI COTIT..............................................................200

    12.2.1 Verificarea fusurilor la presiune i la nclzire................................................20012.2.2 Verificarea la oboseal .....................................................................................202

    12.2.2.1 Calculul fusului palier ..............................................................................20212.2.2.2 Calculul fusului maneton..........................................................................20312 2 2 3 Calculul braului arborelui cotit 209

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    8/410

    13. PROIECTAREA MECANISMULUI DE DISTRIBUIE..............211

    13.1.PRINCIPII DE PROIECTARE ...................................................................21113.2.ALEGEREA FAZELOR DE DISTRIBUIE. ................................................21413.3.PARAMETRII PRINCIPALI AI MECANISMULUI DE DISTRIBUIE. ............21513.4.CALCULUL CINEMATIC I DINAMIC AL MECANISMULUI DE DISTRIBUIE..

    ................................................................................................................................21713.4.1. Profilul din arce de cerc.................................................................................. 21813.4.2. Profilul camei froc polinomial. ................................................................ 22013.4.3. Profilul camei froc Kurz........................................................................... 22113.4.4. Calculul maselor reduse ale elementelor mecanismului de distribuie......... 22413.4.5. Calculul arcurilor de supap. .......................................................................... 22513.4.6. Calculul de rezistenal pieselor mecanismului de distribuie. .................... 228

    14. PROIECTAREA INSTALAIEI DE RCIRE................................231

    14.1PRINCIPII DE PROIECTARE A INSTALAIEI DE RCIRE CU LICHID..........231

    14.1.1 Radiatorul......................................................................................................... 23414.1.2 Pompa de lichid................................................................................................ 23514.1.3 Ventilatorul....................................................................................................... 236

    14.2CALCULUL INSTALAIEI DE RCIRE CU LICHID....................................23714.2.1 Calculul fluxului de cldurpreluat de instalaia de rcire ............................ 23714.2.2 Calculul radiatorului ........................................................................................ 23714.2.3 Calculul ventilatorului ..................................................................................... 23914.2.4 Calculul pompei de lichid................................................................................ 241

    14.3PRINCIPII DE PROIECTARE A INSTALAIEI DE RCIRE CU AER..............24314.4CALCULUL INSTALAIEI DE RCIRE CU AER........................................243

    14.4.1 Calculul sistemului de nervurare..................................................................... 24315. PROIECTAREA INSTALAIEI DE UNGERE ..............................247

    15.1PRINCIPII DE PROIECTARE A INSTALAIEI DE UNGERE .........................24715.1.1 Pompa de ulei................................................................................................... 24915.1.2 Supapa de siguran ......................................................................................... 25015.1.3 Filtrele de ulei................................................................................................... 25015.1.4 Radiatorul de ulei............................................................................................. 25315.1.5 Amplasarea filtrelor n circuitul de ungere ..................................................... 25415.1.6 Ventilaia carterului.......................................................................................... 25515.1.7 Regimul de curgere a uleiului n canalizaiile sistemului de ungere.............. 25615.1.8 Dezaerarea uleiului .......................................................................................... 25715.1.9 Ungerea motoarelor n doi timpi cu baleiaj prin carter................................... 258

    15.2CALCULUL SISTEMULUI DE UNGERE ....................................................25915.2.1 Calculul lagrului pe baza teoriei hidrodinamice a ungerii............................ 25915.2.2 Probleme specifice ale proiectrii lagrelor prin prisma ungerii ................... 26315.2.3 Calculul debitului de ulei necesar n sistemul de ungere................................ 26515.2.4 Calculul elementelor compenente ale instalaiei de ungere ........................... 265

    15.2.4.1 Calculul pompei de ulei............................................................................ 26515.2.4.2 Calculul suprafeei de rcire a schimbtoarelor de cldurpentru ulei26615.2.4.3 Funcionarea comuna rcitorului de ulei cu instalaia de rcire a

    motorului................................................................................................................................................................................................................................................................................... 267

    15 2 4 4 Calculul filtrelor de ulei 268

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    9/410

    16. PROIECTAREA INSTALAIILOR DE ALIMENTARE ALEMOTOARELOR CU ARDERE INTERN .......................................................270

    16.1PROIECTAREA INSTALAIILOR DE ALIMENTARE ALE MOTOARELOR CUAPRINDERE PRIN SCNTEIE CU CARBURATOR.........................................................270

    16.1.1 Regimurile de funcionare ale motorului pentru automobile..........................270

    16.1.2 Principii de proiectare.......................................................................................27016.1.3 Proiectarea unor elemente ale instalaiei de alimentare..................................27116.1.4 Carburatoare cu comandelectronic. Principii de proiectare .......................284

    16.2INSTALAII DE ALIMENTARE CU INJECIE DE BENZIN ........................28916.2.1 K-JETRONIC...................................................................................................289

    16.2.1.1 Sistemul de alimentare cu combustibil.....................................................29016.2.1.2 Faza de nclzire a motorului...................................................................29416.2.1.3 Prepararea amestecului............................................................................29416.2.1.4 Circuitul de comand................................................................................29516.2.1.5 Regulatorul de presiune diferenial..........................................................296

    16.2.2 KE-JETRONIC.................................................................................................29616.2.2.1 Prelucrarea amestecului carburant. ........................................................29616.2.3 L-JETRONIC....................................................................................................297

    16.2.3.1 Sistemul de alimentare..............................................................................29816.2.3.2 Prelucrarea datelor...................................................................................299

    16.2.4 LH-JETRONIC.................................................................................................29916.2.4.1 Sistemul de alimentare cu combustibil.....................................................29916.2.4.2 Principiul de funcionare..........................................................................29916.2.4.3 Msurarea cantitii de aer absorbit de ctre motor. .............................30016.2.4.4 Determinarea cantitii de combustibil....................................................30016.2.4.5 Adaptarea motorului la diferitele stri de funcionare............................301

    16.2.5 MONO-JETRONIC .........................................................................................30116.2.5.1 Sistemul de alimentare cu combustibil.....................................................30116.2.5.2Injectorul. ..................................................................................................30116.2.5.3 Funcionare. ..............................................................................................30216.2.5.4 Prelucrearea datelor.................................................................................303

    16.2.6 MOTRONIC.....................................................................................................30416.2.6.1 Sistemul MOTRONIC. ..............................................................................30516.2.6.2 Comanda electronica aprinderii. ..........................................................30616.2.6.3 Dozajul carburantului...............................................................................30716.2.6.4 Cartografia coeficientului .....................................................................30816.2.6.5 Cartografia fazei de nclzire...................................................................309

    16.2.6.6 Comanda aerului adiional.......................................................................30916.2.6.7 Funcii suplimentare .................................................................................310

    16.2.7 Reglarea factorului exces de aer ...................................................................31016.2.7.1 Construcia sondei ....................................................................................31116.2.7.2 Funcionare. ..............................................................................................31216.2.7.3 Circuitul de reglare...................................................................................31216.2.7.4 Funcionarea la diferite regimuri ale motorului......................................31317. PROIECTAREA INSTALAIILOR DE ALIMENTARE PENTRU

    MOTOARELE CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE ..................................................31417.1PROBLEME GENERALE ALE INSTALAIILOR DE ALIMENTARE A

    MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE...................................................31417.1.1 Funciile sistemului de nalt presiune.............................................................31417 2 PRINCIPII DE PROIECTARE A POMPELOR DE INJECIE 315

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    10/410

    17.2.1 Proiectarea pompelor de injecie cu piston sertar........................................... 31517.2.2 Proiectarea elementului pompei de injecie .................................................... 316

    17.2.2.1 Compresibilitatea combustibilului........................................................... 31617.2.2.2 Dilatarea traiectului de naltpresiune .................................................. 31817.2.2.3 Scprile de combustibil prin jocul piston-cilindru................................ 31917.2.2.4 Evitarea desprinderii de pe cam ............................................................ 319

    17.2.2.5 Proiectarea muchiei profilate a pistonaului. ......................................... 32017.2.2.6 Scheme de calcul a muchiei elicoidale .................................................... 32117.2.2.7 Proiectarea arcului elementului .............................................................. 32217.2.2.8 Proiectarea supapei de refulare............................................................... 32317.2.2.9 Dimensionarea arcului supapei de refulare............................................ 324

    17.2.3 Proiectarea pompelor de injecie cu distribuitor rotativ ................................. 32517.2.3.1 Elemente de proiectare............................................................................. 328

    17.2.4 Tipizarea pompelor de injecie dupfirma Bosch. Alegerea pompei de injeciedintr-o serie tipodimensional ................................................................................................. 330

    17.2.4.1 Clasificarea BOSCH ................................................................................ 33017.2.4.2 Alegerea pompei de injecie dintr-o serie tipodimensional .................. 331

    17.3PROIECTAREA INJECTOARELOR PENTRU MOTOARE CU APRINDERE PRINCOMPRESIE PENTRU AUTOVEHICULE ......................................................................333

    17.3.1 Proiectarea injectorului hidraulic .................................................................... 33417.3.1.1 Dimensionarea orificiilor pulverizatorului ............................................. 33617.3.1.2 Calculul seciunilor de trecere ale pulverizatorului injectorului ........... 33717.3.1.3 Determinarea coeficienilor de debit la curgerea combustibilului prin

    injector. ................................................................................................................................ 340

    18. PROIECTAREA INSTALAIEI DE SUPRAALIMENTARE AMOTOARELOR PENTRU AUTOVEHICULE RUTIERE............................343

    18.1PRINCIPII DE REALIZARE A SUPRAALIMENTRII...................................34318.2DIAGRAMA INDICATI FAZELE OPTIME DE DISTRIBUIE LA MOTORUL

    SUPRAALIMENTAT...................................................................................................34618.3MSURI CONSTRUCTIVE CE SE IMPUN LA MOTORUL SUPRAALIMENTAT ...

    ................................................................................................................................34918.4AGREGATE DE SUPRAALIMENTARE......................................................34918.5TURBINA ..............................................................................................35118.6GRUPUL TURBOCOMPRESOR................................................................353

    18.6.1 Caracteristicile turbocompresorului ................................................................ 353

    18.6.1.1 Caracteristica normala compresorului ................................................ 35318.6.1.2 Caracteristica universala compresorului............................................. 35318.6.1.3 Caracteristicile universale ale turbinei ................................................... 356

    18.6.2 Fenomenul de pompaj...................................................................................... 35618.7ACORDAREA TURBOCOMPRESORULUI CU MOTORUL CU APRINDERE PRIN

    COMPRESIE PENTRU AUTOVEHICULE ......................................................................35618.7.1 Determinarea punctelor de funcionare comuna motorului cu grupul

    turbocompresor cu ajutorul metodelor grafoanalitice............................................................. 35818.7.1.1 Bazele diagramei ...................................................................................... 35918.7.1.2 Linii caracteristice n primul cadran....................................................... 36018.7.1.3 Modul de calcul ........................................................................................ 36118.7.1.4 Determinarea directa seciunii turbineii a randamentului turbo-

    compresorului ...................................................................................................................... 362

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    11/410

    18.7.2 Supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin compresie pentru autoturisme...................................................................................................................................................363

    18.8RCIREA AERULUI NAINTE DE ADMISIUNEA N MOTORULSUPRAALIMENTAT...................................................................................................365

    18.8.1 Rcirea aerului n schimbtorul de cldur .....................................................36618.8.2 Rcirea aerului prin destindere ........................................................................367

    ANEXE ..........................................................................................................369

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    12/410

    PREFA

    n ultimii ani se constato tendinde mbuntire a performanelor motoarelor destinateautovehiculelor n sensul creterii puterii specifice, scderii consumului de combustibil i nivelului

    noxelor din gazele de evacuare. Existi tendina de nlocuire a materialelor tradiionale cu scopul

    micorrii masei specifice fra afecta fiabilitatea motorului.

    Avnd n vedere aceste tendine lucrarea evideniaz particularitile de proiectare a

    motoarelor cu aspiraie naturali supraalimentate n patru timpi. De asemenea avnd n vedere c

    foarte muli constructori iau n considerare revenirea motorului n doi timpi pentru motorizarea

    autovehiculelor, se trateazi particularitile de proiectare a acestor motoare.

    Pornind de la aceste considerente autorii lucrrii de fa propun cititorului o metodologie

    unitar de abordare a elementelor de proiectare a motorului ca ansamblu general ct i pe

    subansamble i elemente componente innd seama de constrngerile impuse pe de o parte de

    legislaiile privind limitarea polurii mediului iar pe de alt parte de performanele impuse de

    pia.

    n prima parte a lucrrii se abordeazcomplexul de procese care se desfoarn cilindrii

    motorului incluznd schimbul de gaze, formarea amestecului aer-combustibil i arderea. La

    tratarea acestor probleme s-a avut n vedere posibilitatea de modelare a proceselor pentru a ajunge

    la soluia optim.

    Lucrarea continu cu calculul cinematic i dinamic al mecanismului motor. Un accent

    deosebit se pune pe echilibrarea motorului, n acest sens tratndu-se majoritatea variantelor

    constructive i funcionale.

    n continuare se analizeaz variantele constructive i se dezvolt metodologia de calcul

    pentru prile fixe i mobile ale motorului (mecanismul motor i de distribuie a gazelor).

    Instalaiile de alimentare, rcire i ungere sunt analizate pentru fiecare tip de motor scondu-

    se n evidencerinele ce trebuiesc ndeplinite i particularitile constructive de care trebuie sse

    in seama n procesul de proiectare. Elementele constructive ale acestor instalaii sunt tratate

    separat prezentndu-se i metodologia de calcul.

    O atenie deosebits-a acordat procesului de supraalimentare a motorului, plecndu-se de la

    ideea calegerea incorecta unui element (turbocompresor, schimbtor de cldur) are un efect

    contrar celui propus.

    La alctuirea lucrrii s-a promovat experiena n acest domeniu n Universitatea

    TRANSILVANIA B i t b it i l b i li tii

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    13/410

    acioneazn compartimentele proiectare-cercetare din firmele i institutele de cercetare tiinific

    din Braov.

    Prezenta lucrare se adreseaz n primul rnd studenilor care desfoar activiti de

    proiectare n domeniul motoarelor cu ardere intern pentru autovehicule precum i tuturor

    specialitilor care au ca activitate proiectarea i dezvoltarea de motoare cu ardere intern.Autorii au participat la elaborarea lucrrii astfel:

    Conf.dr.ing. Corneliu COFARU: capitolele 1; 5; 6; 7; 10; 11; 12; 14; 15; 18 i coordonarea

    ntregii lucrri;

    ef lucr.ing. Nicolae ISPAS: subcapitolul 16.1 i capitolul 17;

    ef lucr.ing. Mircea NSTSOIU: capitolul 3 i 4;

    Asist.dr.ing. Horia ABITNCEI: capitolul. 2;

    Asist.ing. Horea-Rzvan ANCA: capitolul 13 i tehnoredactarea ntregii lucrri; ef lucr.ing. Mihai DOGARIU: subcapitolul. 16.2;

    Prof.dr.ing. Anghel CHIRU: capitolul 8;

    Conf.dr.ing. Vladimir ENI: capitolul 9.

    Autorii mulumesc domnilor prof.dr.ing. Gheorghe BOBESCU, prof.dr.ing. Tiberiu NAGY

    i prof.dr.ing. Iosif SOARE care au recenzat lucrarea precum i tuturor celor care au contribuit cu

    sugestii i observaii la mbuntirea acesteia.

    AUTORII

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    14/410

    1.

    STABILIREA MRIMILOR SPECIFICE LAPROIECTAREA MOTOARELOR DE AUTOVEHICULE

    1.1 Cerine impuse motoarelor de autovehicule

    Condiiile de funcionare ale autovehiculelor impun motorului utilizat satisfacerea unorcondiii care nu depind n principal de tipul motorului. Dintre cerinele care trebuiesc satisfcutecele mai importante sunt:

    a) consum de combustibil redus pe o plajde sarcini i turaii ct mai mare;b)emisiuni nocive reduse, pe ct posibil se vor adapta acele soluii constructive care au impact

    asupra genezei noxelor i acioneazn sensul diminurii acestora;

    c)

    masspecificct mai redusfra afecta rezistena i rigiditatea ansamblului;d)

    adaptabilitate la regimul de funcionare ale autovehiculului;e)pornire i funcionare sigurn limite largi ale temperaturii mediului ambiant;f) echilibrarea ct mai completa forelor i momentelor de inerie ale maselor aflate n micare

    de translaie i rotaie;g)adoptarea unui grad de neuniformitate care snu afecteze demarajul lin al autovehiculului;h) sigurann funcionarea motorului ca sistem complex: motor-instalaii auxiliare;i) satisfacerea tuturor factorilor care influeneaz uzura motorului (materiale, calitate a

    suprafeelor, tratamente termochimice, filtrare, etc);j) arhitectura motorului sdea posibilitatea unei deserviri uoare.

    Proiectantul trebuie sanalizeze cu atenie aceste cerine n concordancu tipul motorului

    i natura autovehiculului pentru a se ajunge la cele mai bune soluii nc din faza de studiu,rmnnd ca pe parcursul proiectrii propriu-zise pe baza simulrilor de funcionare sse adopteacele detalii constructive care s conduc la satisfacerea tuturor acestor cerine. Verificarea ioptimizarea construciei efectundu-se prin ncercri pe stand i de drum.

    1.2 Stabilirea parametrilor i indicilor motoarelor pentruautovehicule

    La ntocmirea studiului i elaborarea proiectului pentru motorul de autovehicul trebuie s

    se analizeze cu atenie tendinele mondiale n domeniu.n ultimii ani legislaiile antipoluare au impus proiectanilor i constructorilor de motoaremutaii majore n abordarea soluiilor constructive, pentru a diminua nivelul de noxe la genez. Unalt factor major care determinnoi presiuni n proiectare l constituie utilizarea unor materiale noineconvenionale (materiale ceramice i compozite, fig. 1.1).

    Studii recente au scos n evidenco serie de componente ale motorului pot fi proiectatei confecionate din materiale neconvenionale care confer motorului noi performane privind:fiabilitatea; durabilitatea i greutatea acestuia.

    O analiz pertinent a tendinelor de dezvoltare a motoarelor mici pentru autoturismedemonstrazo revenire n fora motorului n doi timpi att n varianta M.A.S. ct i n variantaM.A.C. Acest fapt a fost posibil datoritnoilor studii privind procesele ce au loc n aceste motoare.

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    15/410

    Fig. 1.1 Posibiliti de utilizare a materialelor neconvenionale la

    proiectarea motoarelor

    1.2.1 Stabilirea tipului motorului

    Motorizarea autovehiculelor se poate realiza cu ajutorul motoarelor cu aprindere prinscnteie, cu aprindere prin comprimare; n patru sau doi timpi n varianta cu aspiraie naturalsausupraalimentate.

    La alegerea tipului de motor stau criteriile privind indicii: de putere, economicitate,ecologicitate, masa motorului i costul acestuia.

    Parametrii constructivi utilizai n proiectare sunt: puterea litric, puterea specificcorectat, masa litrici masa specific.

    Puterea litricreprezintcriteriul de apreciere a gradului de utilizare a cilindreei motorului1

    e

    s

    e

    t

    e

    m

    P =P

    i V =

    P

    V =

    p n

    30.000

    kw

    l

    1 (1.1)

    unde: Pe- puterea nominal[kW]; Vt- cilindreea total[l];pe- presiunea medie efectiv;n -turaia motorului; tm - coeficient care ine seama de numrul de timpi ai motorului. Valoarea

    puterii litrice dposibilitatea comparaie motorului din punct de vedere al perfeciunii procesuluide lucru i al compactitii construciei. Cu ct valoarea puterii litrice va fi mai mare cu attmotorul va fi mai compact i mai uor (Tabelul 1.1.)

    Puterea specificcorectat

    sc

    e

    3 2P =

    P

    0,7854 i D S

    kW

    dm

    2 (1.2)

    unde: i- numrul de cilindri;D- alezajul cilindrului; S- cursa pistonului.Masa litric (m ) este indicele care apreciaz consumul de metal pe unitatea de cilindree

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    16/410

    l

    t

    m =m

    V

    kg

    l

    3(1.3)

    unde: ml- masa litric; m- masa motorului; Vt- cilindreea total.Masa specific (mp) reprezint criteriul de evaluarea a consumului de metal pentru a

    realiza un motor de putere unitar

    p

    em =

    m

    P

    kg

    kW 4(1.4)

    Lund n considerare relaiile (1.1) i (1.4) rezult

    p

    l

    l

    m =m

    P5 (1.5)

    Masa specific exprimat prin relaia (1.5.) face legtura ntre aspectele constructiveexprimatprin masa litrici cele care privesc perfeciunea ciclului prin puterea litricexprimate

    prin nivelul presiunii medii efective i viteza motorului.Tabelul 1.1

    Valori ale puterii i masei litrice i specifice

    Destinaia Tip Timpi P l[kW/l]

    ml[kg/l]

    mp[kg/kW]

    Autoturisme MAS 4* 15-36 75-120 7,0-4,04** 22-45 50-85 4,7-2,02 24-40 110-140 2,7-4,84 13-19 100-115 6,7-8,7

    Automobile sport MAS 4 26-55 50-120 2,0-3,4Automobile de curse MAS 4 52-150 45-70 0,4-1,1Autocamioane MAS 4 20-30 80-120 3,0-8,8

    MAC 4 15-25 90-100 4,7-15

    2 18-30 130-150 6,4-9,5*Motoare n linie**Motoare n V

    1.2.2 Stabilirea dimensiunilor fundamentale ale motorului

    Alezajul D i cursa S constituie dimensiunile fundamentale ale motorului i determincilindreea Vs.

    ntre aceste doumrimi existo strnslegturdependentprin raportul = S/Dcareinflueneazasupra puterii litrice a motorului.

    La motoarele cu aprindere prin scnteie se utilizeazn general valori ale raportului S/Dsubunitar deoarece permite obinerea de valori ale puterii litrice superioare. Pentru a se obinevalorile dorite pentru S/D, se poate majora alezajul meninnd S= ct, fie prin meninerea constanta valorii alezajului i micorarea cursei. n primul caz mrirea alezajului D este limitat defenomenul de detonaie i solicitri termice mai ridicate, ns exist posibiliti sporite dembuntire a seciunilor de trecere oferite de supapa de admisie ceea ce conduce la sporireacoeficientului de umplere. Aplicarea celui de al doilea procedeu permite pe lng obinerearaportului S/D dorit i a posibilitii de ridicare a turaiei motorului fr ca viteza medie a

    pistonului sdepeascvalorile vitezei medii a pistonului impuse din condiiile de diminuare arandamentului mecanic i de cretere a uzurii, i mririi forelor de inerie.

    Utilizarea unor rapoarte S/D subunitare prezinti avantajul unor nlimi mai reduse alemotorului ceea ce permite o amplasare mai bunpe automobil.

    n cazul motoarelor cu aprindre prin comprimare, datoritvalorilor mai reduse ale turaiei,

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    17/410

    se adopt rapoarte S/D supraunitare. Aceasta conduce i la reducerea solicitrii organelor

    motorului datorate forei maxime al gazelor F = p D / 4g 2max 6. Valoarea raportului S/DlaMAC influeneaz intensitatea micrii organizate a aerului i deci procesele de formare aamestecului aer-combustibil i arderea.

    n tabelul 1.2. se prezintvalorile obinute statistic pentru raportul S/Di viteza medie a

    pistonului wm= Sn/30. Tabelul 1.2.Valori ale raportului S/Di vitezei medii a pistonului wm

    Destinaia Tip motor Numrde Timpi

    S/D[-]

    wm[m-s]

    Autoturisme MAS 4* 0,80-1,40 9-154** 0,80-1,40 9-152 0,80-1,10 8-12

    MAC 4 0,96-1,30 10-12Automobile sport MAS 4 0,77-1,04 14-17Automobile de curse MAS 4 0,80-1,30 16-21Autocamioane MAS 4 0,80-1,20 7-13

    MAC 4 1,10-1,50 8-122 1,06-1,22 7-11

    *Motoare n linie**Motoare n VPe baza teoriei similitudinii, puterea litricpoate fi exprimatprin relaia (1.6) n aa fel

    nct s se obin o putere ct mai ridicat pe unitatea de cilindru la o solicitare admisibil aacestuia.

    v- factorul de compartimentare:

    l

    a v

    5 2/ 3P = 4,33 10

    7 (1.6)unde: a- este factor de putere: a=pewm[N/ms]

    v- factorul de compartimentare: v

    1

    3

    t

    =i

    V

    8

    - raportul cursalezaj.Pe baza datelor statistice s-a stabilit c factorul de compartimentare optim la motoarele

    prin scnteie este 16,2 m-1pentru Vt < 2 dm3i 11,3 m-1pentru Vt> 2 dm

    3 , iar la motoarele cuaprindere prin comprimare este cuprins ntre 9,0...11,5 m-1.

    Adoptnd o anumitvaloare pentru puterea litricse poate calcula cilindreea motorului

    te

    l

    V = PP

    9 (1.7)

    unde: Pe- puterea nominal[kW].Numrul de cilindri se calculeazdin ecuaia de difiniie a factorului de compartimentare:

    i = V3

    v t 10 (1.8)

    Cunoscnd capacitatea unui cilindru (Vs= Vt/i) i raportul cursalezaj (= S/D) se poatedetermina valoarea alezajuluiD.

    D = 4Vs

    3 11 (1.9)

    iar cursa pistonuluiS = D 12 (1.10)La dispunerea cilindrilor se are n vedere att numrul acestora ct i destinaia motorului.

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    18/410

    Motoarele care echipeaz autoturismele pentru a avea o nlime redus se realizeazcucilindrii n linie dispui nclinai. Aceeai soluie se aplic i pentru motoarele pentruautocamioane cu cabinavansat. Unghiul de nclinare este cuprins ntre 15...60o.

    n cazul autobuzelor i la unele autoturisme dispunerea cilindrilor se poate realiza n linien plan orizontal pe un rnd sau dournduri.

    O variant avantajoasdin punctul de vedere al nlimii, lungimii i masei motorului o

    constituie dispunerea cilindrilor n V la unghiuri cuprinse ntre 15...120o. Soluia permite reducerealungimii motorului cu pnla 30% i a masei cu aproximativ 25%, n plus, se mrete rigiditateaarborelui cotit.

    Atunci cnd spaiul disponibil este suficient cilindri sunt dispui n linie vertical dacnumrul de cilindri este pnla 6, peste acest numr se adoptdispunerea cilindrilor n formdeV.

    1.2.3 Stabilirea raportului de comprimare

    La stabilirea raportului de comprimare se are n vedere faptul cacesta constituie un factor

    de forare a motoarelor, deoarece cu creterea raportului de comprimare crete i randamentulindicat i, mbuntindu-se astfel performanele de dinamicitate i economicitate ale acestora.Adaptarea unor valori ridicate ale raportului de comprimare determinvalori ridicate ale

    presiunii i temperaturii la sfritul procesului de comprimare, sfritul arderii i nceputuldestinderii. n cursa de destindere gazele se destind mai puternic, astfel c, la sfritul procesuluide destindere valorile presiunii i temperaturii gazelor vor fi reduse. Rezultatul direct al unuiraport de comprimare ridicat este reducerea temperaturii medii a ciclului, ceea ce conduce lareducerea intensitii transferului de cldurprin perei.

    n cazul motoarelor cu aprindere prin scnteie este determinant a se adopta o valoare araportului de comprimare care s in seama de caracteristicile constructive ale motorului i decalitatea combustibilului (cifra octanic).

    La motoarele cu aprindere prin comprimare alegerea raportului de comprimare se face nfuncie de procedeul de formare a amestecului pentru a asigura pornirea motorului cu aprinderea iarderea sigurcu un consum redus de combustibil. Influena raportului de comprimare asupra unor

    parametri ai motorului se prezintn tabelul 1.3.Tabelul 1.3.

    Influena raportului de comprimare asupra unor parametri ai ciclului motorParametru Tip motor

    [-]pA

    [MPa]TA[K]

    pmax[MPa]

    e[-]

    Aspiraie natural MAS 7-10 0,09 330 3,5-5,0 0,20-0,32MAC 17-23 6,0-8,0 0,25-0,35

    Supraalimentat MAS 6-8 0,12-0,20 360 5,0-6,5 0,25-0,33MAC 15-17 400 8,0-11,0 0,35-0,40Supraalimentat MAC 11-15 0,15-0,25 320 10,0-13,0 0,40-0,44

    cu rcire intermediar 350n funcie de tipul camerei de ardere la motoarele cu aprindere prin comprimare se poate

    adopta o valoare din limitele stabilite n tabelul 1.4.Tabelul 1.4

    Valori ale raportului de comprimare la MACTipul camerei

    de ardereRaportul decomprimare

    Camerde ardere

    Micare de intensitate redusa aerului

    11-15

    unitar Micare de intensitate ridicat 15-18

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    19/410

    Camer Camerde turbulrn 18-22divizat Antecamer 19-23

    * la motoarele pentru autoturisme

    1.2.4 Stabilirea raportului ntre raza manivelei i lungimea bielei

    Stabilirea unor valori optime ntre raza manivelei i lungimea bielei prezintimportannfaza de proiectare, deoarece influeneazatt construcia motorului ct i parametrii funcionali aiacestuia.

    Bielele lungi (b = r/l = 0,20,25, unde r = S/2) conduc la valori mai reduse alecomponentei normale a forei rezultante, aceasta determinnd diminuarea uzurii cilindrului i

    pistonului ceea ce permite reducerea mantalei pistonului. Soluia implic importante dezavantajecum ar fi: mrirea nlimii motorului i deci i a greutii motorului; reducerea rigiditii imrirea masei bielei.

    Bielele scurte prezint avantajul unei mase reduse i a unei rigiditi sporite. La aceastsoluie poate exista pericolul ca biela satingmarginea inferioara cilindrului.

    Pentru motoarele de automobil valorile uzuale pentru b se afl cuprinse ntre limitele0,25...0,35, limita inferioarfiind caracteristicmotoarelor cu aprindere prin comprimare.La motoarele cu aprindere prin comprimare destinate tractoarelor b are valori cuprinse

    ntre 0,26 ... 0,29, pentru a se micora masa acestora.

    1.2.5 Stabilirea unor parametrii necesari calculelor la proiectare sauverificarea acestora

    n procesul de proiectare o serie de parametri sunt adoptai pe baza datelor statistice(Tabelul 1.5).

    Tabelul 1.5Valorile parametrilor iniiali i ai schimbului de gazeDenumirea parametrului Parametrul MAS MAC

    Temperatura iniial To[K]

    293 293

    Presiunea iniial po[MPa]

    0,102 0,102

    Temp. gaze reziduale Tr[K]

    900-1100 700-900

    Presiunea gazelor reziduale pr[MPa]

    0,105-0,125 0,105-0,125

    Coeficient de exces de aer 0,85-1,0 1,25-2,25Raportul de comprimare 7,5-11 14-23Presinunea la sfritul admisiei PA

    [MPa]0,07-0,09 0,085-0,093

    Prenclzirea amestecului t[oC]

    15-40 10-25

    Coeficientul de postumplere 1,05-1,20 1,05-1,20Exponentul politropic de compresie n1 1,32-1,39 1,36-1,4Exponentul politropic al destinderii n2 1,23-1,30 1,18-1,28Coeficientul de utilizare a cldurii 0,85-0,95 0,75-0,90

    Coeficientul de rotunjirea diagramei r 0,94-0,98 0,94-0,98Coeficientul de cretere a presiunii 2,85-4,50 1,3-2,5Coeficientul de corecie a presiunii 2 0,75-0,85 -

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    20/410

    (0,95)La motorul cu aprindere prin comprimare sunt parametri caracteristici care depind de tipul

    camerei de ardere (Tabelul 1.6.)

    Tabelul 1.6.

    Valorile parametrilor ce depind de tipul camerei de ardereParametrul Camerde ardere Camere de ardere divizate

    unitar Camerde turbulen Antecamer 1,5-1,6(2,25) 1,3-1,4 1,25-1,30nn

    [rot/min]1800-3000 3500-4500 3500-5000

    c[g/kWh]

    195-245 235-260 260-285

    pe[MPa]

    0,65-0,75 0,65-0,72 0,6-0,8

    pmax[MPa]

    6,5-8,5(90) 5,5-7,0 45-65

    1,5-2,5 1,6-1,8 1,3-1,6Pentru fazele de distribuie se pot adopta unghiurile de avans la deschidere i de ntrziere

    la nchiderea supapelor fade PMS i PMI n funcie de tipul motorului i turaia de funcionare aacestuia (Tabelul 1.7.)

    Tabelul 1.7

    Valorile unghiurilor de avans i de ntrziere la deschiderea i nchiderea supapelorAdmisie Evacuare

    Tipul motorului deschiderenaintea PMS

    [oRAC]

    nchidere dupPMI

    [oRAC]

    deschiderenaintea PMS

    [oRAC]

    nchideredupPMI[oRAC]

    Motoare cu aprindere 10-40 20-45 30-50 10-35prin comprimareMotoare cu aprindere 10-20 45-70 40-60 15-30

    prin scnteieMotoare

    supraalimentate45-60 40-50 40-45 45-60

    Obs. Valorile mici sunt pentru motoare lente, iar valorile mari pentru motoare rapide.La calculul procesului de ardere sunt necesare mrimile care in de natura combustibilului

    i de formare a amestecului carburant (Tabelul 1.8).Tabelul 1.8

    Caracteristicilor ale combustibilor pentru motoarelor autovehiculelor

    Compoziia Cmin Lmin QiCombustibil Qi[kg/kg]

    c h o [kg/kg] [kmol/kg] [kg/kg] [kmol/kg] [kJ/kg]Benzin 0,854 0,142 0,004 3,391 0,1065 14,8 0,5073 43500Motorin 0,857 0,133 0,010 3,332 0,1043 14,5 0,4966 41868Iar pentru calcule sau verificri se pot folosi parametri prezentai n tabelul 1.9.

    Tabelul 1.9

    Motor Timpi pi[MPa] i u r bMAS 4

    2

    0,85-1,45

    0,55-0,95

    0,25-0,36

    0,23-0,280,75-0,85 0,06-0,12

    +1

    3,5 -

    1

    4,2 13

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    21/410

    MAC 4

    2

    0,75-1,50

    0,65-1,00

    0,29-0,45

    0,28-0,450,75-0,90 0,03-0,06

    +1

    3,5 -

    1

    4,21

    4La verificarea corectitudinii valorilor adoptate sau calculate se poate utiliza tabelul 1.10.

    Tabelul 1.10

    Destinaia Tipmotor

    Timpi nn[rpm]

    m[-]

    =S/D[-]

    wm[m/s]

    Pl

    [kW/l]Autoturisme MAS 4L 3600-6000 0,85-0,75 0,80-1,40 9-15 15-36

    4V 3600-6000 0,85-0,75 0,80-1,40 9-15 22-45MAC 4 3800-4400 0,82-0,75 0,96-1,30 10-12 13-19

    Automobilesport

    MAS 4 5800-6500 0,80-0,73 0,77-1,04 14-17 26-55

    Automobilede curse

    MAS 4 6000-10000

    - 0,80-1,30 16-21 52-150

    Auto- MAS 4 3500-5000 0,85-0,75 0,80-1,20 7-13 18-40camioane MAC 4 1800-3500 0,82-0,75 1,10-1,50 8-12 8-18

    MAC 2 1800-3000 0,80-0,70 1,06-1,22 7-11 18-30

    1.3 Regimul de funcionare al motorului la care se efectueazcalculul de proiectare

    n timpul funcionrii motorului piesele acestuia sunt solicitate de fore i momente cu

    caracter variabil, de aceea este necesar ca verificarea prin calcul a acestor piese s se realizezepentru condiiile cele mai grele de solicitare.La motoarele cu aprindere prin scnteie se considerurmtoarele regimuri caracteristice

    pentru calculul pieselor:- regimul cuplului maxim la o turaie de nM= (0,4...0,5) nnpresiunea gazelor din cilindru

    la sfritul arderii atinge valorile maxime:- regimul puterii nominale a motorului la turaia nn;- regimul turaiei maxime de mers n gol nmax; la care forele de inerie ating valorile

    maxime.La motoarele cu aprindere prin comprimare valorile maxime ale presiunii de ardere depind

    de tipul camerei de ardere i de procedeul de formare a amestecului aer combustibil i nu

    ntotdeauna se ating la regimul cuplului maxim, de regul aceste valori se ating la regimurileputerii nominale.La aceste motoare se recomandurmtoarele regimuri pentru calculul pieselor:- regimul puterii nominale la turaie nominal(nn);- regimul turaiei maxime de mers n gol (nmax).Calcul de rezisten pentru piesele motorului se realizeaz n condiii de funcionare

    staionare, cu toate c regimurile nestaionare au o pondere importantn exploatare este dificilcuantificarea prin calcul.

    n timpul funcionrii motoarelor la anumite regimuri se produc deformaii, de acceacalculul de rezistenal pieselor trebuie sle aibn vedere, fie la piesa luatn calcul, fie la piesaconjugat. Luarea n considerare a caracterului dinamic al forelor prezint dificultisuplimentare, calculul pieselor motorului realizndu-se la sarcini statice i cu considerareadeformaiilor numai n domeniul elastic.

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    22/410

    se aibn vedere camplitudinea tensiunilor are o influenmai mare dect tensiunile maxime.Implementarea de noi metode de abordare a calculului pieselor motorului pot ssimuleze

    solicitarea i comportarea piselor n funcionare.

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    23/410

    2.

    CALCULUL TERMIC AL MOTORULUI CU ARDEREINTERN

    OBIECTIVUL calcului termic este identificarea influenelor parametrilortermogazodinamici ai gazului de lucru, format din aer i combustibil, asupra performanelormotorului i bilanului energetic al acestuia.

    Acest capitol prezintca metodde studiu "SIMULAREA NUMERIC". Prima parte estededicatmodelului de simulare a proceselor termogazodinamice din motor (subcapitolul 2.3), iar

    partea a doua prezint "Modul de utilizare" (subcapitolul 2.4) i "Desfurarea proiectului"(subcapitolul 2.5), subcapitole orientate asupra utilizrii modelului de calcul.

    Capitolul de fa este astfel structurat, nct realizarea modelului de simulare pentru oaplicaie concret, dac se cunosc "Bazele teoretice", presupune utilizarea doar a "Modului deutilizare", "Desfurarea proiectului" i a anexelor capitolului.

    2.1 Introducere

    Prin modelarea regimului termic al motorului se urmrete determinarea evoluiei n timp aparametrilor caracteristici i ai indicilor de apreciere a performanelor motorului, cu care se pottrasa caracteristicile sistemului energetic i evalua parametrii integrali n vederea comparaieidiferitelor soluii tehnice.

    Modelul termo-gazodinamic poate fi ridicat pe baza mai multor categorii de ipoteze:1. Ipoteza parametrilor constani. Pe aceastbazse pot stabili principalele dimensiuni i

    parametri globali de performan. Relaiile modelului cuprind doar valorile integrale.

    2. Modelul zero-dimensional nu poate lua n considerare fenomenele ondulatorii dingaleriile de admisie i evacuare, dar le poate evalua efectul. Metoda surprinde ciclul motor func iede poziia arborelui cotit. Fra fi un model exact al fenomenelor termo-gazodinamice, permiteevaluarea globala performanelor i surprinderea influenei reciproce ntre parametrii de stare.

    3. Modelul acustic consider curgerea isentropi deci respect ecuaiile undei. Ipotezaeste mai exactpentru colectorul de admisie.

    4. Modelul unidimensional consider curgerea anisentrop, dar ridic deja probleme aletimpului de calculaie.

    5. Modelele multidimensionale necesit hard special i se bazeazpe metoda volumelorfinite, n care evoluia pe un volum de control al spaiului discretizat, se aproximeaz printr-ofuncie stpnitmatematic.

    ncepnd cu modelul zero-dimensional, apropierea de realitate prin parametrii msurai,este satisfctoare. Cu ct crete complexitatea modelului este posibil de a studia mai multeinfluene asupra performanelor. Rmane n sarcina proiectantului sdecidcare model i este maiutil pentru scopul propus, i ct de departe trebuie mers cu disecia fenomenului, adic n cemsurun studiu de amnunt extrem, mai poate ameliora performana ansamblului.

    Modelul prezentat n acest capitol abordeazmetoda acusticpentru sistemul de admisie.Sunt puse n eviden fenomenele majore din timpul funcionrii motorului, fr complicaiimatematice, care risc s piard imaginea de ansamblu asupra motorului. Pentru cilindru isistemul de evacuare este adoptat un model bazat pe bilanul energetic al gazului de lucru cuprinsn cilindru. Cele dou puncte de vedere pstreaz analogia cu fenomenul fizic, deci permit

    inginerului pstrarea legturii conceptuale cu fenomenul studiat.CATEGORIILE DE APLICAII. Modelul prezint urmtoarele posibiliti de

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    24/410

    identificare:

    1. - CUNOSCUT: structura sistemului, parametrii de intrare

    - NECUNOSCUT: parametrii de ieireEx.: pentru un motor cunoscut se dorete evaluarea potenialului de performan, adic

    evaluarea influenei pe care o are o anumit variaie a parametrului de intrare, a avansului lainjecie de exemplu asupra puterii.

    2. - CUNOSCUT: parametrii de intrare, parametrii de ieire- NECUNOSCUT: structura sistemului i/sau parametri structurali

    Ex.: aceast categorie de probleme are drept rspuns categorii ca m.a.s.-m.a.c., injeciedirect-injecie divizat, supraalimentare, geometrie i/sau distribuie variabiletc.

    3. - CUNOSCUT: structura sistemului, parametri de ieire- NECUNOSCUT: parametri de intrare

    Ex. problema este tipic de optimizare cum ar fi stabilirea avansului optim pentruobinerea unei anumite puteri sau a unei anumite forme de caracteristic (cuplu ct mai constantfuncie de turaie la motorul de tractor).

    Aceste categorii de probleme se pot pune pentru ntregul motor n regim staionar sautranzitoriu cu sau frincluderea sistemului de asistenn comanda motorului

    n funcie de obiectivul aplicaiei, este dificil de precizat care sunt parametri de intrare icare de ieire, astfel cn anexa 1, sunt grupai pe categorii funcionale, urmnd a constitui pentrudiferitele aplicaii, fie date de intrare, fie date de control.

    2.2

    Problematica rezolvatprin modelul prezent0. Analiza complet a evoluiei principalilor parametri de stare pe durata ciclului

    motor.

    1. Studiul schimbului de gaze- influena fazelor de distribuie;- influena vitezei de ridicare a supapei asupra umplerii;- influena distribuiei variabile (funcie de turaie i/sau sarcin);- influena numrului de supape asupra umplerii (inclusiv funcie de turaie);- influena arhitecturii admisiei;- analiza i sinteza supraalimentrii acustice;- influena supraalimentrii cu agregate speciale i a rcirii intermediare;- influena debitului masic asupra puterii;- influena volumului i arhitecturii sistemului de evacuare;- influena condiiilor de mediu.

    2. Studiul transferului de energie termicprin pereii cilindrului:- influena temperaturii pereilor;- influena conductivitii pereilor;- influena numrului i grosimii straturilor ce formeazperetele;

    - ponderile energiilor transmise prin perei;- influena mediului de rcire;- influena temperaturii mediului de rcire;

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    25/410

    - influena vitezei pistonului (a turbulenei) asupra rcirii.

    3. Studiul arderii- influena formei legii de ardere asupra bilanului energetic;- influena legii de ardere asupra evoluiei presiunii din cilindru;- influena legii de ardere asupra vitezei de cretere a presiunii;

    - influena momentului nceperii arderii;- influena duratei arderii asupra evoluiei presiunii din cilindru;- influena naturii combustibilului;- evoluia noxelor funcie de turaie.

    4. Influena principalelor dimensiuni- influena cursei, alezajului, cilindreei totale;- influena numrului de cilindrii

    Pentru studiul problematicii expuse mai sus, prin calcul termic se obin date asupraperformanelor motorului n timpul transformrii energiei chimice n energie termic, ca bazpentru obinerea energiei mecanice.

    Concret este vorba de calculul parametrilor de:- performana dinamic (presiune, temperaturi viteza cu care se calculeazmomente i

    puteri);- consum (consum specific i orar);- noxe (participaiile masice ale produilor poluani);n funcie de spaiu i timp, n regim staionar, precum i obinerea unor parametri integrali

    care spermitcomparaia diferitelor soluii constructive.

    2.3

    Bazele teoretice ale modelrii proceselor termo-gazodinamice

    2.3.1 Principiile de realizare ale modelului

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    26/410

    Fig. 2.1b: Modelele subsistemelor motorului

    1. Pentru fiecare subansamblu este formulat un model care permite combinarea loraleatoare n limite funcionale pentru obinerea a diferite variante constructive de motoare.

    2. Modelul este realizat pentru un caz general de motor cu ardere intern i separticularizeazpentru soluiile constructive:

    -m.a.s. / m.a.c.;-2 timpi / 4 timpi;

    -aspiraie natural/ supraalimentat.3. Pentru un motor real se considersubsistemele:-sistem de admisie;-cilindru;-sistem de evacuare (fig.2.1 a).Fiecare din aceste subsisteme este modelat astfel nct srezulte o legturntre datele de

    intrare i cele de ieire. Datele de ieire ale sistemului de admisie sunt date de intrare pentrucilindru, iar acestea furnizeaz datele de intrare pentru sistemul de evacuare. Starea gazului secaracterizeazn orice moment i n orice punct geometric, prin presiune p, temperaturT i vitezu. Deci acetia vor fi parametrii de legtur ntre cele trei ansamble. Determinarea lor permitecalculul tuturor parametrilor de performan ai motorului sau diferitelor subsisteme, iar evoluialor n timp descrie principalele fenomene termogazodinamice din motor.

    Cilindrul este spaiul geometric destinat pentru transformarea energiei chimice n energietermic(arderea) i transformarea acesteia n energie mecanic.

    Sistemul de admisie are rolul de a dirija aerul spre cilindru, intervenind n starea saenergetic.

    Dupcum se va constata din modelul cilindrului, starea gazului intervine direct n bilanulenergetic i deci n capacitatea de a efectua lucru mecanic. Deci se va cuta fie diminuarea

    pierderilor n sistemul de admisie, fie montarea unor dispozitive, capabile sintervinasupra celortrei parametrii caracteristici: conducte de geometrie variabil (modific viteza u), compresoare(modificpresiunea p) i rcitoare (modifictemperatura T). Pentru fiecare din aceste subsisteme

    este necesar a cunoate o funcie de transfer, care sdescrie n ce msurse modificparametrii deintrare la parcurgerea subsistemului. Fiecare din elementele enumerate, este destinat pentruvariaia unui parametru, dar intervine i asupra unuia complementar (seciunea variabial modific

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    27/410

    i presiunea, compresorul temperatura i rcitorul din nou presiunea). Acest punct de vedereconsider subsistemele cutii negre (black box), despre care mai mult se cunoate n ce msurmodificparametrii de intrare, dect detalii constructive. Pentru proiectant este posibiln acest felo libertate deplinde a combina subsistemele conform cu nivelul de performanpropus, fraintra n detalii constructive, pstrnd astfel permanent imaginea ansamblului. Subsistemele se vorlega ntre ele prin cei trei parametrii caracteristici ai gazului (presiune, temperaturi vitez).

    Sistemul de evacuare dirijeaz gazele arse spre exterior, intervenind i el asupra striigazului. Consideraiile de la sistemul de admisie sunt valabile i la acest subsistem.

    Sistemelor de admisie i de evacuare le sunt comune o serie de elemente, pentru care se varealiza un singur model, apelat fie pentru a simula un proces din sistemul de admisie fie din cel deevacuare. Aceste subsisteme sunt:

    * Colector - sau conduct(de admisie sau evacuare);* Rezervor (spaiu de pe traseul gazelor, n care viteza este neglijabil, supus

    schimbului de energie termic, nu nsarderii);* Sisteme pentru schimb de lucru mecanic (compresoare i turbine).n figura 2.1 b este reprezentatanalogia ntre motorul real i modelul su cu subsistemele

    definite mai sus.4. Modelul este construit pe baza urmtoarelor ipoteze:-Evoluia parametrilor de stare este cvasistaionar; se admite c pe intervalul de timp

    considerat, valoarea parametrilor este constant;-Gazele respectecuaia de stare a gazelor perfecte;-Viteza de curgere este unidimensional, i se neglijeazn cilindru i rezervoare;-Se neglijeazpierderile de gaze n carter;-Arderea se considerca aport de energie extern.

    2.3.2 Modelul cilindrului

    Gazul de lucru cuprins la un moment dat n cilindrul motorului este considerat un sistemtermodinamic deschis, aflat sub aciunea ineractiunilor externe.

    Necunoscutele pentru acest model sunt presiunea i temperatura gazului. Se considercviteza se anuleazprin disipaie n micarea turbulenta ncrcturii.

    Pentru determinarea celor dou necunoscute se folosete bilanul energetic al gazului iecuaia de stare a gazelor perfecte.

    Bilanul energetic se scrie pentru un sistem deschis (schimbului de masi energie) d.p.d.vtermodinamic, conform figurii 2.2 a. Spaiului geometric delimitat de chiulaspiston i cilindrii, seataeazun volum de control pentru care se formuleazbilanul energetic:

    dE

    dt

    =dW

    dt

    +dQ

    dt

    +dQ

    dt

    +dH

    dt

    -dH

    dt

    p c a e (2.1)

    care exprimat n cuvinte aratc: Energia interna gazului cuprins n volumul de control,se modific n timp prin schimbul de lucru mecanic (W) la nivelul pistonului, prin transferul deenergie termicprin perei (Qp) prin energia termicdegajatn urma arderii combustibilului(Qc)i prin fluxul de entalpie al curenilor de gaze care ptrund i/sau prsesc volumul de controlHa2iHe3.

    n continuare sunt explicitai termenii bilanului.Observaie: n timpul funcionrii existperioade de timp cnd unul sau mai muli termeni

    sunt nuli.n figura 2.2 b este reprezentat un tabel calitativ, n care pe orizontalsunt trecui termenii

    bilanului energetic, iar pe vertical, poziia unghiulara arborelui cotit, care marcheazbaza de

    timp, iar n tabel sunt trecute corespunztor perioadelor de timp, valorile nule sau diferite de zero atermenilor bilanului energetic. Se disting mai multe perioade funcionale care impun anulareadif iil t i i bil l i ti D t i d t i

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    28/410

    calculul cilindrului. Poziia unghiularzero, marcheazpunctul mort superior n timpul admisiei.

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    29/410

    0 ma me Qc W Qp

    Baleiaj0-.s.e. 0 0 0 >0 >0

    180Admisie

    .s.e.-.s.a. 0 0 0 >0 >0

    Compresie.s.a.-IA 0 0 0 >0 >0

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    30/410

    W = -pV (2.2)unde: p- presiunea din cilindru

    V- volumul momentan aflat deasupra pistonuluiAcesta este compus din volumul camerei de ardere (constant) i din volumul cursei

    pistonului. Expresia sa, este:

    V = V +V = V +

    D

    4 xca x ca

    2

    (2.3)unde: Vca- volumul camerei de ardere se calculeazcunoscnd raportul de compresie

    cu relaia:

    ca

    tV =

    V

    (2.4)

    x- spaiul parcurs de piston la un moment dat, msurat din p.m.s.. Acesta rezultdin cinematica pistonului:

    x = r [(1 - )+4

    (1 - 2 )]b cos cos

    (2.5)

    D - alezajul cilindrului (dac nu este cunoscut se adopt conform capitolului

    "Desfurarea proiectului").Variaia n timp a lucrului mecanic, este:

    dW

    dt=

    dp

    dtV + p

    dV

    dt= p

    D

    4

    dx

    dt= p

    D

    4v

    2 2

    (2.6)

    Termenul dp/dtse anuleaz, deoarece se considern ipoteza evoluiei cvasistaionare, cpe intervalul de calcul considerat, valoarea parametrilor de stare este constant.

    v - reprezint viteza pistonului (vezi "Cinematica mecanismului

    motor"):v = r ( +2

    2 )b

    sin sin (2.7)

    2.3.2.2

    VARIAIA ENERGIEI TERMICE SCHIMBATE PRIN PEREI

    Acest proces are loc prin convecie i prin radiaie, ponderea determinant avnd-otransferul prin convecie.

    Calculul procesului se poate conduce n douvariante:1. Calculul energiei transmise prin perei, innd seama de temperatura peretelui.

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    31/410

    2. Calculul energiei transmise prin perei, innd seama de temperatura lichidului de rcire.Pentru varianta 1, ecuaia transferului de energie este:

    p

    p

    dQ

    dt= A (T - T) (2.8)

    unde: - coeficientul de convecie al gazului n [W/mK]. Valoarea sa depinde depresiunea, temperatura i starea de micare a gazului, conform relaiei:

    = 1 166 T p (1+1.24 v )3 m, 2 (2.9)

    p- presiunea gazului din cilindru n [bar];T- temperatura gazului din cilindru n [K].

    Ecuaia coeficientului de convecie este determinat semiempiric i constituie uncompromis ntre exactitate i complexitate. n literatura de specialitate exist numeroase relaiicare modeleazacest coeficient.

    De micarea gazului se ine seama prin viteza medie a pistonului:

    mv =S n

    30

    (2.10)

    unde cu Ss-a notat cursa i cu nturaia motorului.A- aria suprafeei prin care are loc transferul de energie. La motor se disting treicategorii de suprafee:

    A1-aria chiulasei care se adopt constructiv (vezi "stabilirea dateloriniiale");

    A2-aria expusde partea cilindrului;A = D x2 (2.11)A2depinde de poziia momentana pistonuluiA3-aria pistonului:

    A = D

    4

    2

    3 (2.12)

    T- temperatura momentana gazului;4 Tp- temperatura momentana peretelui.Valoarea sa este considerat constant n regim stabilizat datorit ineriei termice a

    materialului pereilor, dar diferntre piesele motorului.O sinteza valorilor experimentale a temperaturii pereilor este redatn anexa 2.Pentru calcule simplificate se poate utiliza, ecuaia:

    p0 4

    T = 360+ 9 n D , (2.13)

    unde - coeficientul de umplere (vezi "stabilirea dimensiunilor principale");n- turaia momentana motorului;D- alezajul cilindrului.

    Cu consideraiile de mai sus ecuaia fluxului de energie termic prin perei este datdeexpresia:

    p

    p

    dQ

    dt= (A + A + A ) (T -T ) 1 2 3 (2.14)

    sau cnd se iau n considerare temperaturi diferite pentru chiulasa (T1), cilindru (T2) ipiston (T3):

    pdQ

    dt= [A (T - T )+ A (T - T )+ A (T - T )] 1 1 2 2 3 3 (2.15)

    A doua variantde calcul a fluxului termic ce ine seama de temperatura (Tfr5) i natura(6) fluidului de rcire se bazeazpe ecuaia:

    p

    i i fr

    dQ

    dt= k A (T - T ) (2.16)

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    32/410

    unde: k este coeficientul de transfer de energie termic, care se calculeaz cu expresiacunoscutdin termodinamic:

    k = 1

    + b

    +1

    i

    i

    t li

    1

    (2.17)

    unde: - coeficientul de convecie al gazului din cilindru;

    7 l- coeficientul de convecie al fluidului de rcire (anexa 2);bi8 - grosimea peretelui i prin care are loc transferul de energie termic;9 ti - coeficientul de conductivitatea termic al materialului peretelui i

    (anexa 2).nsumarea dupi se face cnd existmai muli perei care mrginesc spaiul de lucru.

    2.3.2.3 VARIAIA DE ENERGIE TERMIC REZULTAT N URMA ARDERIICOMBUSTIBILULUI

    Prin arderea unei cantiti C[kg] de combustibil care are puterea caloricinferioarHi10[J/kg] rezultcantitatea de energie termicQc11 [J], cu relaia:

    c a t iQ= H C (2.18)

    care ine seama c transformarea reactanilor n produi de reacie are loc cu un anumitrandament, randamentul transformrii t12, i transformarea energiei chimice n energie termicse face cu randamentul arderii a.

    Variaia n timp a energiei termice rezultderivnd expresia 2.18:

    c

    a t i

    dQ

    dt= H

    dC

    dt (2.19)

    n care dC/dtare semnificaia cantitii de combustibil arse (i nu injectate) n unitatea detimp. Aadar pentru modelarea desfurrii arderii la m.a.c., nu se poate utiliza legea de injecie,datoritntrzierii la autoaprindere.

    Vibe a propus o lege matematicpe baza analizei termodinamice a proceselor din motor,pentru modelarea desfurrii arderii:

    dx

    dy= a (m+1) y (-a y )

    m exp n (2.20)

    unde:

    x =C

    C; y =

    t

    t; n = m+ 1

    0 0

    (2.21)

    Cu notaiile (2.21), rezultexpresia:

    c

    a

    0

    0

    i

    dQ

    dt

    = C

    t

    Hdx

    dy

    (2.22)

    Semnificaia termenilor:C - cantitatea de combustibil ars din momentul nceperii arderii, pn n

    momentul curent de calcul t;C013 - cantitatea de combustibil arspe ciclu:

    0 ef

    p

    C=Pc

    n i

    (2.23)

    unde: Pef- puterea efectiv;c- consumul specific (adoptat din anexa 1);np14 - turaia pompei de injecie la m.a.c.. La m.a.s. este turaia motorului

    pentru 2 timpi sau jumtatea sa la 4 timpi;

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    33/410

    Fig. 2.3 Legea de ardere Vibe

    i- numrul de cilindri;t- timpul scurs de la nceputul arderii;t015 - durata arderiia - factor ce ine seama de randamentul transformrii:

    a 5 6,9 10t[%] 99 99,9 100

    Valoarea de 6.9 este folositn marea majoritate a cazurilor.m - factorul de form al funciei Vibe. Acesta provoac formele de funcii

    reprezentate n figura 2.3. n concluzie se pot modela diferite tipuri de arderi, modoficnd

    parametrul m. Valorile sale sunt sintetizate n anexa 3 pentru diferite categorii de motoare.Hi - puterea caloric inferioar a combustibilului. Valori pentru combustibiliiobinuii sunt redai n anexa 3. n acelai tabel sunt trecute i valorile cantitii minime de aernecesararderii (Lmin).

    a - randamentul arderii depinde de condiiile de funcionare i variaz ndomeniul 0,850,99. Pentru regim staionar se adoptde obicei valoarea maxim.

    Modul obinuit de analiza proceselor din motor se face folosind ca bazde timp poziiaunghiular a arborelui motor. Pentru a putea folosi mai uor relaia (2.22), din acest punct devedere, se fac urmtoarele transformri:

    - se amplificycu viteza unghiularcare face legtura ntre parametrul timp i parametrulpoziie unghiular:

    y

    t

    t

    t

    t

    IA

    DA

    0 0

    (2.24)

    Numrtorul este durata n grade de rotaie arbore motor scursde la nceputul arderii pnn momentul curent i este diferena ntre poziia momentana arborelui i unghiul care marcheaznceputul arderii (IA) (! Nu nceputul injeciei).

    Numitorul reprezintdurata totala arderii n grade rotaie arbore motor (DA).Cu aceast transformare termenii ecuaiei (2.30) se pot calcula funcie de unghiurile

    arborelui motor.n expresia (2.22) se nlocuiete t0 funcie de poziia unghiular, prin aceeai vitez

    unghiular, ceea ce duce la expresia:

    dQdt

    H dxdy

    c

    a 180

    i (2.25)

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    34/410

    Observaie:Procesul arderii se modeleazprin funcia Vibe cunoscnd trei mrimi caracteristice:

    - unghiul de nceput al arderii (IA)- durata arderii n grade RAC (DA)- valoarea factorului de forma Vibe (m)

    Pentru cele trei mrimi sunt sintetizate n anexa 3 valorile numerice funcie de tipul

    motorului.

    2.3.2.4 ENTALPIA GAZELOR CARE TRANZITEAZCILINDRUL

    Entalpia unui gaz este definitca fiind coninutul total de energie pe care acesta l conine,inclusiv energia sa de formare. Aceastparte nu se poate modifica, astfel nct atunci cnd vomvorbi de entalpia gazului, vom considera doar partea de energie pe care o conine frenergia deformare a compuilor.

    Relaia matematica entalpiei, este:H = m h = mc Tp (2.26)

    care derivat: dH

    dt=

    dm

    dt c Tp (2.27)

    aratc fluxul de entalpie depinde de debitul masic i de entalpia unitii de mas (h =cp16T).

    Expresia debitului care ptrunde prin organul de distribuie (supape, distribuitoare,ferestre), este:

    n

    n

    1 1

    dm

    dt= A 2 p F 1 (2.28)

    cu

    F = k / (k - 1) (Q- Q)i j

    2 (2.29)numitfuncia de debit i:

    i =2

    k; j = (k + 1) / k; Q =

    p

    p2

    1

    (2.30)

    Observaie!: Dacexistmai multe supape pe cilindru, debitul care tranziteazcilindrulva fi format din suma debitelor corespunztoare fiecrei supape. Avnd n vedere influenareciprocntre cureni, se adoptpentru coeficientul de debit valorile inferioare ale domeniului demprtiere, dac supapele de acelai fel sunt paralele, i valorile maxime ale coeficientului dedebit, dacsupapele de acelai fel sunt dispuse pe diagonal.

    n- numrul de supapem- coeficientul de debit al organului de distribuie, ine seama de pierderile gazodinamice

    care apar n timpul curgerii prin acest punct. Valoarea sa se determin experimental. Valoriobinuite sunt sintetizate n anexa 4, pentru diferite soluii constructive.

    A- aria geometricdisponibilcurgerii la un anumit moment.Expresia sa difern funcie de tipul organului de distribuie i de tipul acionrii supapei.

    Pentru distribuia prin supape, este aria descrisprin deplasarea supapei:A= h (d + h )2 cos sin cos (2.31)

    d- diametrul canalului n dreptul supapei;h- nlimea de ridicare momentana supapei;Valoarea sa momentanse determindin calculul mecanismului de distribuie. Pentru un

    calcul operativ se poate utiliza anexa 5.;- unghiul de nclinare al talerului supapei.

    Pentru distribuia prin ferestre este aria pe care o descoper pistonul n micarea

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    35/410

    sa:A= n b (x - S )u (2.32)

    n- numrul de ferestre;b- limea unei ferestre;

    x- cursa pistonului;Su17-cursa utila pistonului.

    pl18- presiunea n amonte de punctul de perturbare a curgerii (n faa supapei de admisie);rl19 - densitatea gazului n amonte de supap;

    1 1 1=p /R T (2.33)

    Tl20 - temperatura gazului n amonte de supap - se preia din calculul sistemului deadmisie;

    Q- raportul presiunilor:

    Q =p

    p2

    1

    (2.34)

    Indicele 1 se referla punctul din amonte de elementul prin care se calculeazdebitul, iarindicele 2 la punctul din aval:

    - pentru admisie 1 - punctul din amonte de supapa de admisie;2 - cilindrul;

    - pentru evacuare 1 - cilindrul;2 - punctul din aval de supapa de evacuare.

    Ecuaiile generale ale entalpiei i debitului i menin valabilitatea indiferent de zona undesunt aplicate, admisie sau evacuare.

    Atribuind indicele "a" pentru admisie i "e" pentru evacuare, rezult debitul masic caretranziteazcilindrul:

    dm

    dt=

    dm

    dt-dm

    dt

    a e (2.35)

    i entalpia care l nsoete:dH

    dt=

    dH

    dt-dH

    dt

    a e

    3

    (2.36)

    datde diferena entalpiei gazelor admise i a celor evacuate.

    2.3.2.5 PARAMETRII DE STARE

    n acest paragraf sunt analizai parametri de stare: clduri specifice la presiune i volumconstante, constanta gazului i exponentul adiabatic, pentru gazul din cilindru.

    Valoarea acestor parametri se modific n funcie de condiiile de funcionare din motor

    (presiune, temperaturi compoziia gazului). Se face distincia ntre aer i gaze arse.Valorile numerice pentru aer sunt date n anexa 3, fiind utile n calculul sistemului deadmisiei i a entalpiei gazelor admise. Pentru gazele de ardere, la care valoarea parametrilor destare se modificcontinuu, se folosesc cu relaiile de mai jos. n calculul sistemului de evacuare se

    preiau parametrii de stare ai gazului din cilindru la sfritul destinderii.Pentru cldura specificla presiune constantse folosete relaia empiric:

    p2 3

    c = a (b+ c T + d T + eT )10 (2.37)

    a crei coeficieni diferfuncie de domeniul de temperatur:

    T[0C] a b c d e3001200 0,03489 -4,3248 0,176 -1,0161E-4 2,337E-812002900 0,03948 36,861 8,1629E-2 -2,7761E-5 3,505E-9

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    36/410

    Observaie!: Exist numeroase lucrri care indic relaii pentru acest parametru, ct idependente de presiune i compoziie, dar dependena de aceti ultimi factori este relativ sczut.

    Pentru constanta gazului se demonstreaz, pe baza compoziiei gazelor arse, cnu diferpentru aer i gaze arse dect printr-o unitate, diferennesemnificativ(valoarea numericvezi nanexa 3).

    Cu cei doi termeni definii anterior se obin i ceilali doi:v pc =c - R (2.38)

    ik =c /cp v (2.39)

    2.3.2.6 TRANSFORMAREA ECUAIEI ENERGIEI

    Pn la acest punct au fost explicitai termenii din dreapta ecuaiei care exprimbilanulenergetic al cilindrului (vezi ecuaia 2.1). n continuare este transformatpartea stnga ecuaiei.

    Pornind de la definiia energiei interne a ntregii mase de gaz cuprinse n volumul decontrol:

    E = m e (2.40)se deriveazconform regulii produsului:

    dE

    dt=

    dm

    dte+ m

    de

    dt (2.41)

    pentru a obine variaia sa n timp.innd seama de definiia energiei interne a unitii de mas, rezultecuaia:

    dE

    dt=

    dm

    dt c T + mc

    dT

    dtv v (2.42)

    dm/dt- debitul masic care tranziteazcilindrul (ecuaia 35);cv21 - cldura specificla volum constant (vezi paragraful 5);

    m- masa de gaz cuprinsla un moment dat n volumul de control;m=m+

    dm

    dtdt =m+

    dm

    dt 60/ n0 0

    (2.43)

    m022 - este masa de gaz aflatiniial n cilindru:

    0 0

    0

    0

    m=p V

    R T

    (2.44)

    Indicii zero descriu starea gazului la nceputul calculului.dteste baza de timp n secunde i se exprim funcie de (baza de timp exprimat n

    RAC) i turaia de funcionare n.Notnd cu X termenul din dreapta ecuaiei bilanului energetic i innd seama de

    transformarea energiei interne (2.41), rezultecuaia:dT

    dt=

    m c[X -

    dm

    dt c T]

    v

    v

    1

    (2.45)

    care exprim transformarea temperaturii gazului cuprins n volumul de control n urmainteraciunii sale ca sistem deschis cu mediul, interaciune descrisde termenii unii sub notaiaX.

    Pentru a obine o ecuaie i pentru al doilea parametru de stare independent, presiunea,ecuaia generala gazelor perfecte:

    p V = m R T (2.46)se deriveaz:

    dp

    dt= p

    1

    T

    dT

    dt +

    1

    m

    dm

    dt -

    1

    V

    dV

    dt

    (2.47)ecuaie care furnizeaz expresia transformrii presiunii n urma interaciunilor externe.

  • 8/21/2019 Proiectarea motoarelor

    37/410

    Ecuaiile (2.45) i (2.47), care furnizeazbaza de calcul a parametrilor de stare presiune itemperatura, exprim transformarea lor n funcie de timp. Ele formeaz un sistem cu derivate

    pariale de ordinul nti, rezolvabil prin metoda Runge-Kutta.Un c


Recommended