STADIUL ACTUAL IN STUDIUL GAZODINAMIC SI TERMIC AL SISTEMULUI DE EVACUARE

STADIUL ACTUAL IN STUDIUL GAZODINAMIC SI TERMIC AL SISTEMULUI DE EVACUARE

1.1 Sistemul de evacuare al motoarelor cu ardere interna

Sistemul de evacuare al unui motor, parte componenta a sistemului de distributie al gazelor, are rolul de a asigura o golire cat mai perfecta a cilindrilor de gazele de ardere reziduale in conditiile unor rezistente gazodinamice minime.

Elementele sistemului de evacuare (supapele de evacuare cu canalele din chiulasa, colectorul de evacuare, conducta sau conductele comune, atenuatorul de zgomot si teava de evacuare) trebuie sa mai asigure [38, 41, 57, 100, 124]:

incalzirea minima, pentru a se reduce temperatura sub capota;

asamblarea comoda la motor si la sasiu;

interferenta minima cu alte organe ale motorului si sasiului;

tehnologie simpla si cost redus.

In timpul functionarii supapa de evacuare se incalzeste foarte mult. Distributia de temperatura este neuniforma pe talerul supapei si depinde de forma si modul de racire al acesteia. Temperatura maxima a supapei de evacuare udata de gazele fierbinti ajunge la 750 - 800 ºC si variaza cu regimul de functionare (sarcina, turatie), cu tipul motorului si cu procedeul de racire.

Un rol foarte important in cursul procesului de schimbare a gazelor il au arcurile de supapa. Acestea, in timpul functionarii trebuie sa retina supapa in pozitie inchisa si sa preia actiunea fortelor de inertie a ansamblului mecanismului de actionare a supapei, care are tendinta sa desprinda tachetul de cama pe portiunea acceleratiei negative.

Pentru a se asigura conditiile normale de lucru, arcurile pentru supape trebuie sa aiba o mare rezistenta la oboseala iar in constructia lor se va evita regimul de rezonanta.

Elementele de comanda ale supapei cand arborele cu came este amplasat in blocul motorului este realizat prin lantul cinematic tacheti-tija-culbutori. Problema principala a constructiei acestor elemente este sa fie cat mai usoare si cat mai rigide. In acest caz se pot accepta acceleratii mai mari si se pot folosi arcuri mai slabe, cu rezerva mai mica.

1.2 Compozitia produsilor arderii

1.2.1 Stoichiometria arderii

Aerul atmosferic uscat cuprinde 20,95 % (vol.) oxigen, 78,09 % azot si 0,93 % argon, ceilalalti componenti fiind in proportii considerate neglijabite. In calculele obisnuite, care urmaresc definirea proprietatilor termodinamice ale reactantilor si produsilor se neglijeaza si prezenta argonului, considerandu-se ca aerul consta din 21 % (vol.) si oxigen si 79 % azot; exprimat in moli, pentru fiecare mol de oxigen se considera prin urmare (1 - 0,2095)/0,2095 = 3,773 moli de azot, de asemenea in calculele obisnuite se considera ca azotul nu participa la reactiile arderii.

In consecinta, ecuatia arderii complete, in aerul atmosferic, a hidrocarburii C_mH_n, are forma

(1.3)

Cantitatea de aer disponibil pentru ardere A se exprima in functie de cantitatea stoichiometrica A_s, cu ajutorul coeficientutui de dozaj

(1.6)

Raportul dintre masa combustibilului m_c, si masa aerului m_a, in amestec, numit dozajul combustibilului in aer, d

. (1.7)

In functie de raportl maselor de combustibil si aer (dozaj) se mai defineste raportul de echivalenta combustibil/aer

= (m_c/m_a)/( m_c/m_a)_s = d/d_s (1.9)

Combustibilii comerciali lichizi pentru motoare, de origine petroliera, ca si gazele naturale, reprezinta in general amestecuri complexe de hidrocarburi si alte substante organice.

De cele mai multe ori, se considera insa mai convenabil sa se efectueze calculele pe baza compozitiei elementare a combustibilului, exprimata masic: carbon c [kg/kg comb.], hidrogen h [kg/kgcomb.] si oxigen o [kg/kgcomb.]. Masa atomica a carbonului este 12 (cu exactitate 12,011) si a hidrogenului 1 (1,008), iar masa moleculara a oxigenului 32. In consecinta, cantitatea de oxigen necesara pentru arderea teoretica completa a unui kilogram de combustibil va fi suma cantitatilor necesare pentru arderea carbonului si hidrogeniilui (c/12 + h/4), micsorata cu cantitatea de oxigen prezenta in combustibil (o/32),

[kmol/kg] (1.11)

Compozitia produsilor arderii

Gazele de ardere sunt compuse in general dintr-un mare numar de substante, ca rezultat al mecanismului complex al reactiilor arderii [5, 45, 111].

In cazul 1 (amestec cu exces de aer, sau dozaj sarac), se admite, in general, ca reactiile de oxidare se dezvolta complet, rezultand CO₂, H₂O, O₂ (cantitatea in exces) si N₂.

In cazul 1 (amestec cu lipsa relativa de aer, sau dozaj bogat), arderea combustibilului este evident incompleta: carbonul este partial oxidat complet, in reactia C + O₂ = CO₂ si partial oxidat incomplet, in reactia C + (1/2)O₂ = CO; de asemenea o parte din hidrogen este oxidat complet, in reactia H₂ + (1/2)O₂ = H₂O, i.ii iar restul ramane neoxidat. In consecinta, se considera ca produsii arderii cuprind CO₂, CO, H₂O H₂ N₂.

1.2.3 Determinarea dozajului pe baza analizei gazelor de ardere

Analiza mai completa a gazelor de ardere, necesara de exemplu la studiul arderii sau la verificarea nivelului emisiilor poluante, se realizeaza cu analizoare specializate, cu care se masoara: continutul de CO₂ si CO (in general prin metoda spectroscopiei fara dispersie, in infrarosu).

Pe baza concentratiei cunoscute de CO₂, CO, O₂, NO_x si hidrocarburi, si cunoscand de asemenea combustibilul utilizat (rapotul h/c), se poate determina dozajul coeficientului de dozajul (coeficientul de dozaj ) pentru amestecul care a participat la ardere; de asemenea, se pot calcula concentratiile de H₂O si H₂. Relatiile de calcul cunoscute se deosebesc prin ipotezele adoptate si numarul de componente luate in considerare (tabelul 1.1).

Tabelul 1.1

Ecuatii pentru determinarea coeficientului de dozaj, pe baza analizei gazelor de ardere

- concentratii in gaze arse uscate, % vol.;

n/m - raportul numarului de atomi de hidrogen/carbon; p - raportul numarului de atomi de oxigen/carbon;

Q = (97,7 - ;

T = 3/(1 + h/c)/(1 + c/h)

Astfel, formula propusa de Brettschneider presupune echilibrul chimic in reactia gazului de apa; pentru constanta de echilibru K_c, s-a propus valoarea 3,5. In ultimii ani, au fost concepute si instrumente destinate determinarii directe a coeficientului de dozaj . Instrumentul realizat de exemplu de firma Nissan este o aplicatie a traductorului de oxigen, bazat pe pompajul electrochimic.

1.2.4 Caldura de reactie. Caldura de formare

Pe baza primului principiu al termodinamicii si in absenta lucrului mecanic, caldura cedata in calorimetru este egala cu variatia de entalpie [5, 45, 111],

Q_p = -(H_p - H_r) = - H_r    (1.23)

unde: indicii r si p se refera la reactanti si respectiv la produsi (fig. 1.1).

Fig. 1.1 Caldura de reactie la presiune constanta in diagrama entalpie/temperatura

1.3 Regimuri de ardere. Ecuatia Hugoniot

Un sistem omogen combustibil-oxidant poate fi antrenat in reactii explozive atunci cand sunt realizate anumite conditii termodinamice si de concentratie, care sa asigure dezvoltarea unor reactii rapide de oxidare. Limitele de concentratie intre care este posibila formarea si propagarea undei de ardere se numesc limite de inflamabilitate [5, 45, 111].

Caracterizarea celor doua tipuri de unde de ardere, de deflagratie si de detonatie, se poate face pe baza ecuatiei Hugoniot, care defineste relatia dintre proprietatile gazelor din avalul si amontele undei de ardere.

Ecuatia Hugoniot este stabilita pentru cazul unui amestec combustibil-oxidant in regim de curgere plana, stationara, unidimensionala. Se accepta urmatoarele ipoteze simplificatoare: gazele au, in amonte si in aval de unda de ardere, o compozitie chimica constanta, care nu depinde de regimul de propagare a undei; masele medii moleculare ale gazelor din amonte si aval de unda de ardere sunt egale; caldurile specifice ale gazelor din amontele si avalul undei de ardere nu depind de temperatura.

Fig. 1.3 Schema undei de ardere fixe in raport cu peretii

tubului in care se afla amestecul combustibil

Se obtine in final

(1.51)

Ecuatia (1.51) este numita ecuatia Hugoniot si exprima dependenta variabilei p₂ in functie de 1/₂ si de marimile cunoscute g, p₁, r si q.

Fig. 1.4 Adiabata Hugonoit pentru unda de soc fara reactie si unda de ardere

Ecuatia Hugoniot se rezolva in functie de :

(1.54)

cu notatiile si .

1.4 Ecuatiille fundamentale ale dinamicii gazelor

Se obtin urmatoarele ecuatii cu ajutorul carora se studiaza miscarea unidimensionala:

ecuatia de continuitate:

ecuatia de miscare:

ecuatia energiei:

ecuatii suplimentare:

(1.73)

1.5 Curgerea stationara in tuburi si ajutaje

1.5.1 Curgerea gazelor in tuburi

Se considera un tub de curbura mica si de sectiune variabila de-a lungul lungimii sale, dar suficient de mica astfel incat presiunea, densitatea, temperatura si viteza sa poata fi considerate constante in toata sectiunea si egale cu valorile medii corespunzatoare, presupuse ca sunt situate pe linia sa medie. Acest tub este evident un tub de current [4, 12, 113, 114].

Introducand numarul Mach (), rezulta ecuatia lui Hugoniot: , (1.79)

expresie ce reprezinta legea de curgere intr-o sectiune oarecare .

Daca intr-un punct oarecare avem o sectiune minima , sau maxima (figurile 1.7 a si 1.7 b), in acest punct , de unde rezulta sau .

Fig. 1.7 Cazul ajutajelor cu sectiune minima si maxima

Conditii posibile pentru :

a) Ajutaj convergent-divergent cu sectiunea minima la care este posibila trecerea din regim subsonic in regim supersonic;

b) Tub cu sectiune maxima pentru care nu este posibila trecerea din regim subsonic in regim supersonic.

Cazul se realizeaza in cazul in care curgerea poate fi subsonica sau supersonica in amonte, trece prin viteza critica in sectiunea minima (), dupa care urmeaza expansiunea sau compresiunea. Aceasta sectiune se numeste col sonic sau sectiune critica si se noteaza in general cu .

1.5.2 Ajutajul convergent. Formula lui Saint-Venant

Se considera un rezervor oarecare, care contine un gaz in stare de repaus, avand presiunea , densitatea si temperatura ; rezervorul este prevazut cu un ajutaj, a carui sectiune la iesire este minima [4, 12, 113, 114].

Prin acest ajutaj gazul curge in exterior. Se presupune ca miscarea este izentropica si ca presiunea la iesirea gazului din ajutaj este egala cu presiunea mediului exterior . Debitul masic va fi:

(1.87)

Tinand acum seama de ecuatia presiunii, de unde vom scoate pe v si considerand o transformare izentropica, vom obtine ecuatia lui Saint-Venant:

(1.88)

in care se poate introduce si un coeficient de debit , pentru a se tine seama de pierderile care pot apare (de exemplu, contractia jetului in cazul orificiilor cu muchiile ascutite, pierderi prin frecare etc.).

1.6.1 Metoda analitica de dimensionare a supapei

Pentru a se stabili dimensiunile supapei (fig.1.9) se pleaca de la

Fig. 1.9 Dimensiunile principale ale supapei

arhitectura si dimensiunile galeriei de evacuare stabilite pe baza legii continuitatii curgerii gazelor de ardere, in cilindru [38, 41, 57, 100, 124]:

, (1.91)

in care:

v_g - viteza fluidului prin galerii;

i    - numarul de cilindrii;

f_g - suprafata sectiunii de curgere a fluidului in galerie;

v_p - viteza pistonului

A - suprafata pistonului

Pentru galeria de evacuare se admite viteza de curgere v_g = 70.100m/s.

In literatura de specialitate se folosesc uzual urmatoarele valori    (notatiile conform figurii 1.9, indicii a respectiv e reprezinta admisie respectiv evacuare):

Fig. 1.10 Schema pentru determinarea ariei orificiului oferit de supapa (d₁ = d_g)

Inaltimea maxima de ridicare a supapei h_smax se alege sau se calculeaza tinandu-se cont de urmatoarele cerinte:

supapa sa nu atinga pistonul in timpul functionarii;

sa nu apara forte de inertie mari;

sectiunea de curgere a gazelor pe langa supapa f_s sa fie egala cu sectiunea de curgere prin galerie f_g.

Rezulta urmatoarele valori aproximative:

h_smax = 0,26 d_g pentru β = 30º, (1.97)

h_smax = 0,30 d_g pentru β = 45º. (1.98)

Fig. 1.10 b Pozitia supapei in timp

Determinarea ariei orificiului oferit de supapa (d₁<d_g)

daca normala din A cade in B₃:

. (1.101)

Suprafata f_s3 pentru h_max trebuie sa fie cel mult egala cu f_g. Egaland f_s3 cu f_g se obtin valorile lui h_max.

Suprafetele de curgere oferite de supapa se verifica dupa aceea din punctul de vedere al vitezelor maxime realizate prin curgerea gazelor.

Pentru dimensionarea sediului supapei se folosesc date statistice care in mod uzual au urmatoarele valori:

inaltimea sediului:    h = (0,16.0,25) d_g

grosimea sediului:    δ = (0,08.0,15) d_g

unde d_g este diametrul galeriei. Ulterior se face o verificare a presiunii pe sediu folosindu-se relatia folosita pentru talerul supapei.

Ghidul supapei se dimensioneaza din punct de vedere al cerintelor constructive, avand uzual urmatoarele valori:

lungimea ghidului:     l = (1,75.2,5)d_t

grosimea peretelui:     δ = (2,5.4)mm

jocul termic intre ghid si tija supapei de admisie: Δ_a = (0,004.0,01)d_t

jocul termic intre ghid si tija supapei de evacuare: Δ_e= (0,006.0,0125)d_t