Calculul termic al ciclurilor motoarelor are ca scop determinarea marimilor de stare ale fluidului motor pentru trasarea diagramei indicate. Cu ajutorul calculului termic se pot determina : alezajul si cursa pistonului, fortele necesare calculului de rezistenta al motorului si unii parametri caracteristici, ca de exemplu puterea si economicitatea motorului.

In cazul motoarelor existente calculul termic poate servi pentru interpretarea diagramei indicate si pentru trasarea diagramei indicate, daca inregistrarea diagramei indicate experimental nu este posibila.

In cele ce urmeza se prezinta calculul termic al motorului avand urmatoarele caracteristici:

Puterea nominala      P_n = 100 kW

Turatia nominala       nn = 3600 rot/min

Numarul de cilindri i = 4

1.1.   Alegerea parametrilor initiali ai motorului

1.2.   Parametrii procesului de schimbare a gazelor:

Se adopta:

Se determina prin calcule:

Coeficientul gazelor reziduale:

= 0,023

Temperatura la sfarsitul admisiei:

sK

Coeficientul de umplere :

= 0

1.3.   Parametrii procesului de comprimare:

Se adopta:

Se determina prin calcule:

Presiunea la sfarsitul comprimarii :

N /m²

Temperatura la sfarsitul comprimarii: 929,940 sK

1.4.   Parametrii procesului de ardere:

Se adopta:

Aerul minim necesar arderii a 1 kg de combustibil se calculeaza cu relatia :

kmol aer / kg

Cantitatea reala de aer necesara arderii combustibilului este:

Coeficientul teoretic de variatie molara a incarcaturii proaspete este:

Coeficientul real de variatie molara a incarcaturii proaspete:

Caldura specifica molara medie a amestecului initial:

36,181 kJ / kmol * K

Caldura specifica molara medie a gazelor de ardere pentru 1:

Temperatura la sfarsitul arderii:

sK

Presiunea la sfirsitul arderii:

=112,490   

Gradul de destindere prealabila se calculeaza cu formula:

1.5.   Parametrii procesului de destindere:

Valorile exponentului politropic entru motoare cu aprindere prin comprimare sunt cuprinse intre 1,18 - 1,28.

Se adopta = 1,2

Gradul de destindere:

Relatiile de calcul pentru presiunea si temperatura de la sfarsitul cursei de destindere sunt:

- presiunea la sfarsitul cursei de destindere:

-         temperatura la sfarsitul cursei de destindere:

1.6.   Parametrii principali ai motorului

Se adopta urmatoarele valori pentru:

Presiunea medie a ciclului teoretic se obtine din relatia:

Presiunea medie indicata:

Randamentul indicat al motorului:

Presiunea medie efectiva:

Randamentul efectiv:

Consumulspecific de combustibil:

1.7.   Dimensiunile fundamentale ale motorului

Dimeniunile fundamentale ale unui motor sunt diametrul cilindrului D si cursa pistonului S care in legatura cu dispozitia cilindrilor, distanta intre cilindri, raportul dintre raza arborelui si lungimea bielei λb si numarul de cilindrii i determina in ansamblu dimensiunile motorului cu piston.

Pentru determinarea dimensiunolor fundamentale se adopta raportul cursa - alezaj Φ = S/D = 1,1.

Capacitatea cilindica necesara:

Lucrare: Acid acetic, formic, propionic, palmitic - formule la chimie Eseu: Modificari biochimice produse de tratamente chimice cu fungicide

Determinarea alezajului si cursei

Viteza medie a pistonului

Cilindreea totala a motorului

Puterea litrica a motorului

1.8.   Trasarea diagramei indicate

Volumul la sfarsitul cursei de admisie

Volumul la sfarsitul comprimarii

Se traseaza izocorele:

Politropa ac care reprezinta procesul de comprimare se traseaza prin puncte:

Politropa destinderii zb se traseaza analog:

Se adopta urmatoarele masuri pentru corectarea diagramei:

-         unghiul de avans la aprindere α_as = 35 RAC; 0,611 rad

-         ungihul de avans la evacuare α_ev = 40 RAC; 0,698 rad

-         raportul dintre raza manivelei si lungimea bielei    _b 0,278

Determinarea pozitiei punctului c':

=0,12554 dm

Determinarea pozitiei punctului b':

=0,16145 dm

Determinarea punctului a':

1.9.   Caracteristica externa

Puterea efectiva

Consumul specific

Consumul orar

Momentul motor

2. Calculul dinamic

2.1.Cinematica mecanismului biela - manivela

In ipoteza ca arborele cotit se roteste cu viteza unghiulara constanta, unghiul sau de rotatie este proportional cu timpul.In calcule se considera ca pozitia initiala este unghiul pentru care pistonul este cel mai indepartat de axa arborelui cotit.

Fig. 1 - Mecanismul biela - manivela cu piston

= unghiul de rotatie al manivelei

= unghiul de inclinare al axei bielei

viteza unghiulara de rotatie a arborelui cotit

S = cursa pistonului

R = raza manivelei

L = lungimea bielei

Se introduce raportul = r/l ca o marime ce caracterizeaza mecanismul biela - manivela. Pentru motoarele de autovehicule:

= raportul dintre raza manivelei si lungimea bielei

m/s;

mm;

mm ;

2.1.1.Deplasarea pistonului

Se va determina legea de variatie a deplasarii Xp a pistonului in functie de unghiul α.

Dupa cu rezulta din figura, deplasarea Xp a pistonului se determina proiectand conturul A'ABO pe directia de deplasare.

2.1.2.Volumul cilindrului la un moment dat

2.1.3.Viteza pistonului

2.1.4. Acceleratia pistonului

2.2.Determinarea fortelor in mecanismul biela - manivela

2.2.1.Forta de presiune a gazelor

Variatia de presiune a gazelor in functie de cursa pistonului sau de unghiul de rotatie al arborelui cotit se determina dupa diagrama indicata. Aceasta diagrama reda in mod normal variatia presiunii gazelor in functie de cursa pistonului.

Forta de presiune a gazelor de determina cu relatia:

F_g = (p_g - p₀)·A_p,

unde

A_p - aria suprafetei capului pistonului,

p_g - presiunea gazelor in cilindru dupa diagrama indicata;

p₀ - presiunea mediului ambiant.

Prin urmare, diagrama indicata desfasurata va reprezenta la o scara corespunzatoare variatia fortei data de presiunea gazelor in functie de unghiul de rotatie al arborelui cotit, F_g =f( ). Forta de presiune a gazelor este indreptata dupa axa cilindrului si poate fi considerata aplicata in axa boltului de piston. Aceasta forta este considerata pozitiva cand este orientata spre axa arborelui cotit si negativa cand este orientata in sens invers (la p_g<p₀).

2.2.2.Fortele de inertie ale maselor in miscare de translatie Fj

Se determina prin multiplicarea maselor m_j, considerate in axa boltului de piston, cu acceleratia pistonului, adica:

F_j = m_j j

Masele aflate in miscare de translatie sunt constituite din masa pistonului asamblat, m_p, cuprinzand masa pistonului, segmentilor, boltului si sigurantelor acestuia si o parte din masa bielei m_1b, care se considera concentrata in axa piciorului acestei. Astfel:

m_j = m_p+m_Ib

Intreaga masa a bielei se considera aproximativ concentrata in cele doua axe in care este articulata, respectiv in axa piciorului bielei, m_1b, respectiv in axa capului bielei, m_2b. Prima compponenta a masei bielei este luata in calcul la determinarea fortei de inertie F_j, iar a doua componenta, m_2b, se adauga maselor rotitoare ale manivelei.

Se adopta:

m_p = 2,5 kg

m_b = 3 kg

m_1b = 0,275 m_b = 0,275 3 =0,825 kg

m_.2b = 0,725 m_b = 0,725 3 = 2,175 kg

Fortele de inertie Fj, se pot exprima , tinand seama de expresia generalizata a expresiei acceleratiei pistonului sub forma urmatoare:

F_j = m_j R (cos cos2 +k sin

m_j = m_p+m_1b = 2,5 +0,825 = 3,325 kg

Forta sumara care actioneaza de-a lungul axei cilindrului este egala cu suma algebrica a fortei create de presiunea gazelor F_g si forta de inertie F_j, adica:

F = F_g + F_j

Forta F se calculeaza tabelar si se construieste curba F = f(

Fig. 2 - Fortele si momentele care actioneaza

in mecanismul biela - manivela

In figura de mai sus se prezinta schema de descompunere a fortelor sumare F. Forta F aplicata i axa boltului se descompune in doua componente, una de sprijin, normala la axa cilindrului N, si una dupa axa bielei B.

N = F tg [N]

S = F/cos [N]

Calcul fortelor N si B se face tabelar si se construiesc curbele N = f( ) si B = f(

In axa fusului maneton, forta S se descompune in doua componente, una radiala Z, si una tangentiala T, expresiile lor fiind urmatoarele:

Pe baza calculului tabelar al valorilor fortelor T si Z se traseaza curbele T=f(α) si Z=f(α).

Forta tangentiala T este singura forta care produce momentul motor. Expresia momentului motor este:

Raza manivelei R fiind constanta curba de variatie a momentului motor functie de unghiul depinde numai de variatia fortei T functie de unghiul

Momentul monocilindrului se repeta dupa efectuarea fiecarui ciclu, deci perioada momentului motor este egala cu perioada unui ciclu n_c

2.3. Alegerea ordinii de lucru a cilindrilor

Pentru realizarea unei succesiuni optime de functionare a cilindrilor motorului si o echilibrare naturala cat nmaicompleta a fortelor de inertie si a momentelor acestora, trebuie stabilita o anumita pozitie relativa a manivelelor arborelui cotit.

Succesiunea optima de functionare se stabileste din conditia distributiei uniforme a exploziilor succesive dintre doi cilindrii vecini, pentru a nu rezulta sarcini medii prea mari pe fusurile paliere dintre acestia.

Pentru o achilibrare naturala cat mai completa a fortelor de inertie si a momentelor acestor forte trebuie cautate acele pozitii relative ale manivelelor arborelui cotit pentru care fortele centrifuge de ordin I si II se anuleaza reciproc. De asemenea, pentru echilibrarea momentelor date de fortele de inertie, trebuie ca manivelele sa fie dispuse "in oglinda", adica manivelele egal departate de mijlocul arborelui cotit sa fie in acelasi plan si sa fie orientate in acelasi sens.

Pentru motorul in 4 cilindrii manivelele sunt decalate la 180

Tinand cont de cele prezentate mai sus se alege urmatoarea ordine de aprindere:

0 180 360 540 720

Momentul pe fusul palier este dat de suma momentelor cilindrilor precedenti.

Momentul poliucilindric M_t se obtine prin insumarea valorilor momentului motor monocilindric in raport cu ordinea de aprindere. La insumare se tine cont de semnul momentelor.

Se constata ca momentul total apare ca o functie periodica cu perioada:

unde: i - numarul cilindrilor

t - numarul timpilor motorului.

Pe baza calculului tabelar se traseaza curba M_t=f(α)

Se determina valoarea medie a momentului motor ca, medie aritmetica a valorilor instantanee ale momentului motor.

2.4. Forte care actioneaza asupra fusurilor arborelui cotit

Determinarea fortelor care actioneaza asupra fusurilor arborelui cotit este necesara pentru dimensionarea corecta a fusurilor si lagarelor, in scopul de a evita incalzirea lagarelor si a se asigura pelicula de ulei necesara ungerii acestora.

2.4.1. Forte care actioneaza asupra fusului maneton

Asupra fusului maneton, cind lucreaza o singura biela, actioneaza forta S (de compunere Z si T) si forta centrifuga Fcb determinata de masa bielei cu miscare de rotatie. Rezultanta Rm se afla grafic prin insumare vectoriala. Se considera un sistem de axe Z - T care se roteste impreuna cu arborele cotit, tinand seama pentru forte de regula semnelor precizate la punctul 3.2.3.

Fig. 3 - Forte ce actioneaza asupra fusului maneton

Se aseaza la scara fortele Z, T corespunzator unui unghi de rotatie oarecare ; din compunerea acestor doua forte se obtine S. Din punctul O in sens pozitiv al axe Z se aseaza la scara valoarea fortei Z_b obtinandu-se la scara polul O. Se uneste polul O cu varful vectorului S, obtinindu-se vectorul rezultant (R_m).

Matematic aceasta se poate scrie:

(R_m) ₌ S+(-F_cb), sau (R_m) ₌ S-(+F_cb), deoarece forta F_cb la - ct, este constant pentru orice unghi . Prin unirea succesiva a tuturor varfurilor vectorilor S se obtine diagrama polara a fusului maneton.

Pe baza diagramei polare se construieste in coordonate carteziene R_m-, variatia fortei rezultate R_m, se detremina valoarea ei maxima (R_m)_max, valoarea medie (R_m)_med, raportul (R_m)_max / (R_m)_med, concretizand gradul de soc al lagarului si este cuprins intre 23.

Cu ajutorul diagramei polare se construieste diagrama de uzura a fusului maneton, in ipoteza ca masa este proportionala cu fortele care actioneaza asupra fusului maneton.

La construirea diagramei, se considera ca rezultanta fortelor care solicita fusul se distribuie pe suprafata lui la 60 de ambele parti a punctului de aplicatie.

2.4.2. Forte ce actioneaza asupra fusului palier

Constructia diagramei pentru fusul palier tine seama de unghiul de decalaj dintre manivelele fusului, ordinea de aprindere a cilindrilor si numarul fusurilor paliere. Pentru obtinerea diagramei polare in sistemul de coordonate Z - T astfel incat axa Z sa coincida cu axa Z a manivelei corespunzatoare cilindrului perpendiculara, iar axa T perpendiculara pe aceasta.

Fig. 4 - Forte ce actioneaza asupra fusului palier

Se determina fortele: Z`, T`.

Se reprezinta aceste forte pentru fiecare unghi , si din compunerea acestor forte se obtine K.