Motorul Otto. Motorul Diesel.

Introducere

Definitie: Se numeste motor cu combustie interna orice dispozitiv care obtine energie mecanica direct din energie chimica prin arderea unui combustibil intr-o camera de combustie care este parte integranta a motorului (spre deosebire de motoarele cu ardere externa unde arderea are loc in afara motorului.).
Exista de fapt patru tipuri de baza de motoare cu ardere interna dupa cum urmeaza: motorul Otto,motorul Diesel, motorul cu turbina pe gaz si motorul rotativ.

Motorul Otto este denumit astfel dupa numele inventatorului sau Nikolaus August Otto, iar motorul Diesel dupa in aceeasi maniera dupa numele inginerului german de origine franceza Rudolf Diesel. Motorul Diesel este folosit pentru generatoare de energie electrica, de asemenea el este utilizat si la camioane si autobuze precum si in unele automobile. Motorul Otto este motorul folosit pentru majoritatea automobilelor.

Componentele unui motor diesel
Sectiune printr-un motor

Partile esentiale ale unui motor Otto si Diesel coincid. Camera de ardere este formata dintr-un cilindru inchis la un capat si un piston care aluneca de sus in jos. Printr-un sistem biela manivela pistonul este legat de un arbore cotit care transmite lucrul mecanic spre exterior (de obicei cu ajutorul unei cutii de viteze). Rolul arborelui cotit este acela de a transforma miscarea de “du-te vino” a pistonului in miscare de rotatie.
Un motor poate avea de la unu pana la 28 de cilindri (pistoane) care pot fi asezate asa zis in linie sau in V. Sistemul de alimentare cu combustibil consta dintr-un rezervor o pompa si un sistem pentru vaporizarea combustibilului care l-a motorul Otto poate fi carburator sau la masinile de constructie recenta sisteme de injectie. Aceste sisteme de injectie sunt gestionate electronic iar eficienta lor a facut ca ele sa fie folosite pe majoritatea automobilelor
Aerul din ametecul carburant precum si gazele evacuate sunt gestionate de supape actionate mecanic de un ax cu came. La toate motoarele este necesar un sistem de aprindere a combustibilului care la motorul Otto este o bujie. Conform principiului al doilea al termodinamicii un motor trebuie sa cedeze caldura; in general acest lucru este realizat in doua moduri, prin evacuarea gazelor rezultate din arderea carburantului si prin folosirea unui radiator. In timpul deplasarii unui vehicul echipat cu un motor cu ardere interna simpla deplasare genereaza un flux de aer rece suficient pentru a asigura mentinerea temperaturii motorului in limite acceptabile dar pentru ca motorul sa poata functiona si cand vehiculul sta, radiatorul este echipat cu unul sau mai multe ventilatoare. De asemenea se mai folosesc si sisteme de racire cu apa mai ales pentru barci.

Motorul Otto
Motor Morris din 1925

Motorul Otto standard este un motor in 4 timpi in care pistonul face 4 curse. Sa vedem care sunt acestea:
Timpul 1:Admisie pistonul porneste de la capatul superior al cilindrului si in cilindru este aspirat amestecul de aer si benzina deoarece supapa de admisie este deschisa la sfarsitul acestui timp pistonul ajunge la capatul inferior si supapa de admisie este inchisa.
Timpul 2:Compresie adiabatica, amestecul se incalzeste pana cind pistonul ajunge la capatul superior.
Timpul 3:Ardere si destindere adiabatica; o descarcare electrica a bujiei aprinde amestecul carburant a carui ardere are loc rapid, ca o explozie. De aici provine si denumirea alternativa de motor cu explozie. Presiunea si temperatura in cilindru cresc brusc si pistonul este impins. Timpul 3 este timpul motor, in care se efectueaza lucru mecanic asupra pistonului. La sfarsitul acestui timp se deschide supapa de evacuare
Timpul 4: Evacuarea gazelor arse in atmosfera in atmosfera incepe printr-un proces de racire izocora, pana cand gazele ajung la presiunea atmosferica. Pistonul se ridica si gazele sunt evacuate supapa de evacuare fiind deschisa. La capatul ciclului supapa de evacuare se inchide supapa de admisie se deschide si incepe un nou ciclu.
Randamentul mecanic efectiv al unui motor Otto modern este de circa 20-25%

Motorul Diesel

Rudolf Diesel

La 18 martie 1858, cand, la Paris, se nastea cel al carui nume este purtat astazi de motoarele pe motorina: Diesel,… Rudolf Diesel, si care a trait pana pe 29 septembrie 1913. Cam atat ar fi de spus despre el, dar este mult de spus despre inventia lui (motorul diesel) pe care a patentat-o in 1892.
Rudolf Diesel a conceput motorul diesel ca o alternativa mai accesibila pentru intreprinzatorii particulari avand in vedere dimensiunile variabile si costul scazut al motorului si al carburantului, fata de motoarele cu aburi care aveau un randament foarte scazut.
Totul a pornit de la obsesia lui pentru a doua lege a termodinamicii si maxima eficienta a ciclului Carnot.
Incepand din 1885, timp de 13 ani, Diesel a lucrat la motorul sau, intr-un laborator-magazin din Paris. La fabrica de masini de la Augsburg, pe la sfarsitul lui 1896 si inceputul lui 1987, primul model al lui Diesel, un cilindru inalt de fier cu o volanta la baza, functiona autonom pentru prima data.

Rudolf Diesel

El cantarea 5 tone, producea 20 cp la 172 rpm si opera la o eficienta de 26.6%.
Rudolf Diesel a mai petrecut inca vreo 2 ani la perfectionarea lui si, la sfarsitul anului 1896, a prezentat un nou model cu o eficienta mecanica (teoretica) de 75.6%, fata de motoarele cu aburi care aveau o eficienta de 10% sau mai putin.

Primul motor diesel
Cu toate acestea productia lor a mai fost intarziata inca un an, dar aceasta nu l-a impiedicat sa devina milionar prin vanzarea drepturilor de comercializare a inventiei lui.
Dupa ce am inteles cum a aparut, sa intelegem si cum functioneaza acest tip de motor.

Modul de functionare al motorului diesel in 4 timpi
Motoarele diesel in 4 timpi sunt folosite la masini,locomotive,vapoare etc. Principala diferenta fata de un motor pe benzina in 4 timpi e faptul ca combustibilul e injectat in cilindru si nu intra in amestec cu aerul prin supapa de admisie.Iata ciclul de functionare al unui motor diesel in 4 timpi:
Timpul 1-Admisia
Prin deschiderea supapei de admisie, pistonul se duce in jos deplasandu-se de la punctul mort superior in punctul mort inferior si se introduce aer in cilindru.

Timpul 2-Compresia
Dupa inchiderea supapelor, pistonul incepe sa se deplaseze dinspre punctul mort inferior spre cel superior comprimand aerul din piston. La un anumit moment al compresiei, prin injector este introdus, in cilindru, combustibilul pulverizat.

Timpul 3-Arderea si detenta
Amestecul de aer cu vapori de motorina, comprimat intr-un timp foarte scurt, explodeaza, impingand pistonul din punctul mort superior in punctul mort inferior.

Timpul 4-Evacuarea
Supapa de evacuare se deschide, iar cea de admisie ramane inchisa si, prin deplasarea pistonului din punctul mort inferior in cel superior, sunt evacuate gazele arse din cilindru.

Pe durata timpilor 1, 2 si 4 miscarea este transmisa de la arborele cotit la piston, iar pe durata timpului 3, miscarea este transmisa de la piston la arborele cotit, fiind de fapt cea care genereaza functionarea motorului.

Pentru o mai buna intelegere a modului de functionare a motorului diesel (motor cu aprindere prin compresie) vom explica mai amanuntit fenomenele care se petrec pe durata timpilor 2 si 3.
Combustibilul, introdus prin injectare in cilindru, se autoaprinde venind in contact cu aerul, comprimat in prealabil in cilindrul motorului, datorita temperaturii inalte realizate prin comprimare. Presiunea aerului comprimat este cuprinsa intre 30 si 60 at. si temperatura 500°C si 700°C, corespunzator unui raport volumetric de comprimare cuprins intre 12:1 si 22:1. Introducerea (pulverizarea) combustibilului in cilindru se face cu ajutorul injectorului.
Presiunea necesara pentru pulverizarea combustibilului se realizeaza cu o pompa de injectie. Randamentul total (efectiv) al motorului diesel este cuprins intre 0.28 si 0.40. Motoarele diesel se folosesc in centrale termoelectrice, pe nave, locomotive, autovehicule etc.

Ciclul de functionare al motorului diesel

Trasand schema de functionare a motorului diesel, in sistemul de coordonate presiune (p) si volum (v), observam urmatoarele transformari, in functie de cei 4 timpi ai motorului:

Timpul 1- Aspiratia
A›1 absorbtie izobara
(P1=constant=presiunea atmosferica)

Schema de functionare a motorului diesel
Timpul 2- Compresia
1›2 compresie adiabatica
(P2 este de cca. 35-50 atm., iar temperatura de aproximativ 700-800°C )
Timpul 3- Arderea si detenta
2›3 ardere izobara
(arderea este lenta, concomitent cu deplasarea pistonului, marindu-se volumul de la V2 la V3)
3›4 detenta adiabatica
(este singurul timp, motor, cand se efectueaza lucru mecanic)
Timpul 4-Evacuarea
4›1 destindere izocora
(momentul cand se deschide supapa de evacuare, iar pistonul este in punctul mort inferior)
1›A evacuare izobara
(gazul este impins de piston afara, la P1=constant=presiunea atmosferica)

Motoarele Diesel cu camere de ardere divizate (separate) jetul de combustibil este injectat intr-un compartiment separat de camera de ardere propriu-zisa din cilindru. In aceasta categorie intra: a) Motoare cu camera de vartej (turbulenta), la care camera separata (de forma cilindrica sau sferica) comunica cu cilindrul printr-un canal de forma unui ajutaj, dispus tangential la camere separate. Astfel, in timpul comprimarii in camera separata in care are loc injectia, se produce un vartej puternic care mareste viteza de ardere. Acelasi vartej produce in cilindru o miscare circulara a aerului, favorabil extinderii rapide si uniforme a frontulul de flacara. Prin aceasta circulatie se asigura arderea in cilindru a combustibilului care s-a aprins in camera de vartej. Volumul camerei de vartej reprezinta 50-80% din volumul total al camerei de ardere. b) Motoare cu antecamera (camera de preardere), la care injectia are loc intr-o camera separata, de forma cilindrica, tronconica sau sferica, reprezentand 25-40% din volumul total al camerei de ardere, si care comunica cu cilindrul prin unul sau mai multe orificii de sectiune redusa care au rolul unor duze . c) Motoarele cu camera de vartej si cu injectie directa Ia care injectorul este proiectat astfel incat sa dirijeze un jet direct in camera principala de ardere si altul (cu debit mai redus) in camera secundara de vartej. Arderea incepe in camera secundara, dand nastere unui curent invers in camera principala de ardere si favorizand procesul de ardere.
O caracteristica comuna a motoarelor Diesel cu camere divizate este functionarea mai lina datorita cresterii mai reduse a presiunii in cilindrul motorului. Ca dezavantaj se remarca necesitatea montarii unei bujii incandescente in camera separat utilizata pentru pomirea la rece.

Motoarele Diesel cu camera de ardere nedivizata (camera unitar), combustibilul este injectat direct in camera de ardere (de unde denumirea de motoare cu injectie directa). Pentru ca sa se asigure o ardere buna, este necesara o intensificare a miscarii aerului in cilindru. Aceasta se produce ori cu supapa ecran ori cu ajutorul unor forme corespunzaoare ale camerei de ardere realizate in capul pistonulul (cu praguri de turbionare). In primul caz carburantul este injectat aproape perpendicular pe directia de deplasare a aerului, obtinandu-se reducerea consumului specific de combustibil la sarcini mari. In celalalt caz carburantul este injectat direct pe peretele camerei si formeaza acolo o pelicula in care se vaporizeaza rapid. In prezent sunt utilizate diferite sisteme de crestere a puterii specifice a motoarelor Diesel. Cel mai utilizat este supraalimentarea prin precomprimarea aerului admis in cilindru cu un airbocompresor. Procedeul se bazeaza pe folosirea energiei gazelor arse evacuate din cilindru intr-o turbina. Antrenat de catre gaze, turbina actioneaza o suflanta (compresor) cuplata pe acelasi arbore, care comprima aerul inainte de aspiratia in cilindru.

Concluzii

Motorul Diesel difera de cel Otto doar prin faptul ca arderea are loc la volum constant si nu la presiune constanta. Majoritatea motoarelor Diesel sunt de asemenea in 4 timpi dar functioneaza diferit. In primul timp este aspirat aer nu si motorina. In timpul 2 aerul este incalzit prin comprimare pana la circa 440 grade C. La sfarsitul acestui timp este injectata motorina care se auto aprinde datorita temperaturii mari a aerului. Timpul 4 este ca si la motorul Otto unul de evacuare.

Randamentul unui motor Diesel este mult mai mare decat al unui motor Otto si astazi se situeaza putin peste 40%. Motoarele Diesel sunt motoare relativ lente cu viteze ale arborilor cotiti de 100 pana la 750 rpm spre deosebire de motoarele Otto care au viteze ale arborilor cotiti de circa 2500-5000 rpm. Deoarece motoarele Diesel folosesc rate de compresie de 14 la 1, sau mai mari, spre deosebire de motoarele Otto care au rate de compresie intre 8 la 1 si 10 la 1, ele trebuie sa aiba o constructie mai rigida de aceea sunt mai scump de fabricat. Acest dezavantaj este compensat de randamentul mai mare si de faptul ca motorina este mai ieftina decat benzina.
Avantaje si dezavantaje ale motorului diesel in 4 timpi
Motoarele diesel in 4 timpi au un randament mult mai bun decat cele pe benzina.Cu toate acestea motorina are dezavantajele sale.Unele motoare diesel au bujii incandescente,deoarece la temperaturi scazute,aerul din cilindrii nu se poate incalzi indeajuns de tare pentru ca motorina injectata sa se aprinda.

Pasi importanti in evolutia motorului diesel

1892-Este patentat primul motor cu aprindere prin compresie de catre Rudolf Diesel
1894-Motorul lui Diesel functioneaza pentru prima data
1897-Este construit la Fabrica de Motoare din Augsburg (cunoscuta acum sub numele MAN) primul motor cu aprindere prin compresie, cu un cilindru, producea 20 cp la 172 rpm si cantarea 5 tone
1898-Primul motor diesel stationar este instalat intr-un gater din Germania
1900-Motorul diesel castiga Marele Premiu al Expozitiei internationale din Paris
1904-Prima centrala electrica actionata de un motor diesel construita in Kiev, Ucraina
1912-Prima calatorie a primului vas, Selandia, propulsat de un motor diesel
-Aparitia primului dispozitiv mecanic de injectie, care a inlocuit sistemul de injectie pneumatic, permitand astfel utilizarea motorului diesel la autovehicule
1914-Motoarele diesel incep sa fie folosite de caile ferate germane
1921-Primul motor dezvoltat in colaborare de Dl. Tartrais si Peugeot este prezentat la Salonul Auto din 1921
-Prototipul Peugeot 156 echipat cu un motor diesel cu 2 cilindri, in 2 timpi, 40 cp, a fost testat pe traseul Paris-Bordeaux realizandu-se o viteza medie de 48 km/h
-Aceasta a marcat nasterea autoturismului propulsat cu motor diesel, dar au mai trecut multi ani pana s-au comercializat primele modele
1922-Se introduce motorul de tractor cu 2 cilindrii, 30 cp., 800 rpm de catre Benz
1923-Benz introduce primul motor de camion cu injectie indirecta
1924-Benz introduce motorul de camion cu 4 cilindrii, 50 cp., 1000 rpm. MAN realizeaza primul motor de camion cu injectie indirecta
1927-Robert Bosh lanseaza productia primei serii de pompe de injectie
1935-Citroen ofera spre vanzare primul autoturism echipat cu motor diesel (Rosalie 10cv)
1954-Volvo incepe productia de camioane turbo diesel
1989-Firma Lucas stabileste noul record mondial de economie la consumul de motorina cu Citroen AX diesel (2.5l/100 km)