Ingineria Automobilului Societatea - ingineria-automobilului.ro

<strong>Ingineria</strong> <strong>Automobilului</strong>
Analiza uzurii pe ciclu folosind modelarea termodinamică
a motoarelor cu ardere internă
The Analysis of the Wear Processes per Cycle
Using the Thermodynamic Modeling of the Internal Combustion Engines
T. Mamut
Catedra de Energetică, Universitatea
„Politehnică” din Bucureşti
E-mail: timur.mamut@et-is.eu;
A. Badea
Catedra de Energetică, Universitatea
„Politehnică” din Bucureşti
E-mail: adrian.badea@upb.ro
E. Mamut
Catedra de Inginerie Mecanică
Universitatea „Ovidius”
din Constanţa
E-mail: eden.mamut@univ-ovidius.ro
Fig. 1. Conceptele de sistem şi proces termodinamic
1. INTRODUCERE
Evoluţia demografică şi tendinţele de dezvoltare
a pieţelor de autovehicule rutiere conduc la prognoze
care estimează că parcul de autovehicule
rutiere la nivel global va depăşi 2 miliarde de vehicule
în următoarele 2 decenii [1], introducând
presiuni din ce în ce mai serioase asupra mediului
înconjurător şi implicit asupra cerinţelor de reducere
a emisiilor de gaze cu efect de seră. Din punct
de vedere tehnologic aceste presiuni au condus la
introducerea vehiculelor hibride care constau în
agregarea pe lanţul de propulsie al autovehiculelor
a motoarelor cu ardere internă cu agregate electrice
reversibile şi a sistemelor de control automat
de tip start-stop. Regimurile de funcţionare startstop
permit în conformitate cu anumite studii
publicate în literatura de specialitate, obţinerea de
economii de combustibil până la 10% şi reducerea
emisiilor de CO 2
cu până la 20%.
Aceste performanţe sunt de obicei evaluate folosind
cicluri standard cum ar fi ciclurile europene
urbane şi interurbane. Mai multe studii au scos
în evidenţă faptul că noile tehnologii, pe lângă
beneficiile sub aspectul creşterii eficienţei şi a reducerii
impactului ecologic, se caracterizează prin
introducerea unor necunoscute în ceea ce priveşte
procesele tribologice şi aspectele de lubrifiere
la contactul dintre suprafeţele aflate în mişcare la
nivelul componentelor m.a.i. [2][3].
2. MODELAREA TERMODINAMICĂ
FOLOSIND CONCEPTUL DE EXERGIE
În teoria modernă a termodinamicii orice proces
din natura se supune următoarei legi de conservare:
Fig. 2. Descompunerea unui proces
în sub-procese
‣ Pentru sisteme închise:
(1)
Unde: S 1
,S 2
– valorile entropiei sistemului în
starea iniţială şi starea finală
– entropia transferată prin frontiera f
S gen
– entropia generată ca efect al ireversibilităţilor
la derularea procesului.
‣ Pentru sisteme deschise:
(2)
Unde: S vc
– entropia asociată porţiunii de materie
cuprinsă în volumul de control
– entropia schimbată corespunzând fluxurilor
de căldură schimbate prin frontieră;
– entropia schimbată corespunzând
fluxurilor de masă intrate şi ieşite prin frontieră;
– rata de generare a entropiei.
Prin definiţie exergia reprezintă lucrul mecanic
util maxim teoretic care poate fi obţinut dacă un
sistem este adus la starea de echilibru termodinamic
cu mediul înconjurător prin intermediul unor
procese în care sistemul interacţionează numai cu
acesta.
Fig. 3. Acumularea de exergie pe parcursul
unui lanţ valoric
Fie un sistem deschis la starea s=s(p,T), şi fie
„mediul înconjurător” un rezervor de substanţă/
energie cu care sistemul este în contact, având o
capacitate de a prelua fluxuri de masă şi energie
mult mai mari decât cele ale sistemului. Lucrul
mecanic util maxim care se poate extrage din sistem,
luând în considerare numai procesele în care
sistemul interacţionează cu mediul înconjurător,
se calculează cu următoarea formula:
(3)
Unde: e – exergia specifică;
h – entalpia specifică;
s – entropia specifică;
0 – indicele corespunzător stării de echilibru cu
mediul înconjurător.
În cazul sistemelor formate din mai multe componente
în care intervin reacţii chimice, energie
cinetică şi potenţială, exergia unei componente se
calculează cu formula:
(4)
Unde:
– entalpia
specifică liberă sau potenţialul Gibbs specific;
R k
– constanta gazului pentru componenta k;
c k
, c k,0
– concentraţia pentru componenta k şi concentraţia
la starea de echilibru cu mediul înconjurător;
W j
– viteza medie pentru componenta j;
g – acceleraţia gravitaţională locală;
z j
, z j,0
– valorile coordonatei spaţiale iniţială şi la
19