Studiul Randamentelor Motoarelor Termice Cu Ardere Internă [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTI FACULTATEA DE INGINERIA ŞI MANAGEMENTUL SISTEMELOR TEHNOLOGICE DEPARTAMENTUL TEORIA MECANISMELOR ŞI A ROBOŢILOR

LUCRARE DE DISERTAŢIE

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Coordonator ştiinţific: Senior Lecturer Dr. Ing. Florian Ion T. Petrescu

Absolvent: Calangiu Radu Gheorghe

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

BUCUREŞTI 2013

Motoarele termice cu ardere internă ne-au transportat ȋn ultimii circa 150 de ani pe toată planeta, și nu numai... Otto, Lenoir, Diesel, etc., ne-au dus peste tot, ne-au ajutat să evităm o criză majoră, au produs mai multe revoluții industriale, ne-au ajutat să ne dezvoltăm, ȋn toate domeniile (și prin răspȃndirea și diversificarea lor); ne-au ȋnvățat să zburăm, să călătorim pe ape, pe șine, să ne scufundăm ȋn oceane, sau din contră să ne ridicăm pȃnă la ceruri! Motoarele lui Lenoir, Otto, sau Diesel, ne-au ajutat să trăim mai bine, să ne ridicăm, să evoluăm... (Și) Datorită lor trăim astăzi mult mai bine, mai confortabil, mai ușor, mai civilizat... Avem acum și altfel de motoare (ionice sau cu fascicole energetice, cu care zburăm ȋn cosmos), cu reacție (cu care ne-am deplasat mai iute pe cerul planetei noastre), electromagnetice (cu care am creeat trenuri ultrarapide cu levitație magnetică), motoare electrice, etc, dar motoarele termice (ȋn special cele cu ardere internă sunt ȋncă adȃnc cuibărite ȋn aproape toate domeniile, ȋn frunte cu transporturile); putem să le trecem (doar foarte lent; pentru că numai la automobile s-a atins deja un parc planetar de circa un miliard) la stadiul de muzeu, sau putem să facem efortul să le perfecționăm ȋn continuare (tot pentru noi) și să le utilizăm numai acolo unde sunt și vor fi mereu mai bune, mai utile, sau chiar de neȋnlocuit... Depinde totul numai de noi, specialiștii din domeniu, și cum suntem mulți, foarte mulți, din ce ȋn ce mai mulți, și cum am mȃncat toți de pe urma lor o pȃine caldă, o turtă, un cozonac, sau cel puțin o chiflă, e cazul să ne mobilizăm ȋn acest sens. Motoarele termice cu ardere externă ȋncep deja să renască; e timpul să ne ocupăm și de „Bătrȃnul Otto” și „Moșneagul Diesel”!...

Un motor diesel are un raport de comprimare mai mare, presiunea în cilindru mai mare deci și cuplu mai mare. În schimb regimurile de turații sunt mai mici. Motorul pe benzină are putere mai mare datorită regimului mai înalt de turații, dar un cuplu mai mic datorat presiunii medii din cilindru mai scăzute.

Cum randamentul unui motor poate fi sporit fie prin creșterea turației (maxime și medii) fie prin creșterea raportului de comprimare, realizarea unui motor care să aibă crescute și turațiile de lucru și raportul de comprimare va realiza randamente termice (dar și mecanice) superioare; un prim pas pentru realizarea acestui deziderat l-a constituit chiar trecerea la motorul pe benzină cu injecție, care ȋși păstrează turațiile de lucru ridicate și realizează și un raport de comprimare mai mare asemeni motoarelor diesel. Se ȋncearcă și ridicarea turației de lucru, a motorului de tip Otto cu injecție de combustibil, la valori mult superioare; ȋn acest scop s-au realizat mecanisme de distribuție speciale (superioare) care să poată să lucreze și la turații ridicate (fără clasicele mecanisme de distribuție care la 10000 de ture pe min vibrau extrem și clacau); motorul termic cu ardere

2

Calangiu Radu Gheorghe internă este realizat compact, la scară redusă (astfel ȋncȃt prin reducerea dimensiunilor sale, toate vitezele și accelerațiile pieselor aflate ȋn mișcare să scadă, și odată cu ele și forțele inerțiale și reacțiunile din cuple) pentru a compensa ȋn acest mod creșterile accelerațiilor și forțelor inerțiale datorate ridicării vitezelor unghiulare ca urmare a turațiilor de lucru extrem de mari; puterile obținute de un astfel de motor compact și superturat vor fi cel puțin echivalente cu cele generate de motoarele cu gabarite mari (și turații de lucru normale), dar consumul de combustibil realizat de noul motor (cu gabarit mai redus) va fi și el mai redus; se speră astfel realizarea unor randamente mecanice și termice mult superioare, care pe o cale normală nu ar fi putut fi obținute (aici putem vorbi chiar de trecerea anumitor limite-bariere clasice); ȋn scopul realizării noilor motoare, compacte și superturate (a nu se confunda cu supraturarea și sau supraalimentarea unui motor; acum discutăm de turații extrem de ridicate) se vor utiliza materiale speciale (rezistente la presiuni foarte ridicate), ungeri speciale, piese și componente speciale, și cu funcții suplimentare, și eventual combustibili speciali (se știe că ardera la turații mult mai mari va trebui să se producă integral ȋntr-un timp mult mai scurt, fapt ce se poate realiza spre exemplu prin utilizarea hidrogenului, care arde de circa zece ori mai repede decȃt combustibilii clasici cunoscuți, și ȋn plus nu produce poluare aproape de loc, se poate extrage relativ ușor din apă, prin disocierea ei ȋn hidrogen și oxigen, și prin ardere combustibilul hidrogen va produce la loc apă, regenerȃnd-o ȋn acest mod). Iată ce rezervă uriașă ne păstrează apa planetei, și hidrogenul conținut ȋn ea! Ȋn acest mod motoarele cu ardere internă vor renaște și ele!...

3

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Cuprins Cuprins .................................................................................................................................................... 4 1. Introducere ......................................................................................................................................... 6 SOLUŢII ŞI ALTERNATIVE PENTRU MENŢINEREA MOTOARELOR TERMICE .............................................................................. 8 2.

Inventarea şi evoluţia motoarelor termice .................................................................................... 10

3.

Modul de funcționare al motorului Otto........................................................................................ 17 RANDAMENTUL MOTORULUI OTTO ................................................................................................................................... 19

4.

Modul de funcționare al motorului Diesel ..................................................................................... 22 RANDAMENTUL MOTORULUI DIESEL ................................................................................................................................. 23

5.

Motoare de ultimă generaţie şi inovaţii ......................................................................................... 26 5.1.

MOTORUL BMW TRI-TURBO DIESEL ................................................................................................................. 26

5.2.

ÎMBUNĂTĂŢIREA RANDAMENTULUI PRIN RECUPERAREA ENERGIEI GAZELOR DE EVACUARE A UNUI MOTOR TERMIC (BMW) ................................................................................................................................................... 36

6.

4

5.3.

SISTEMUL DE DISTRIBUȚIE VARIABILĂ VARIOCAM PLUS DE LA PORSCHE ............................................................ 40

5.4.

ARBORELE COTIT TREBUIE SĂ AIBĂ FRECĂRI MINIMALE ...................................................................................... 48

5.5.

SISTEMUL MODERN DE UNGERE CU ULEI AL MOTORULUI ................................................................................... 52

5.6.

COMPARAȚIE PARAMETRICĂ - DIESEL VS BENZINĂ ............................................................................................ 62

Concluzii......................................................................................................................................... 65

Calangiu Radu Gheorghe Lucrarea prezintă o analiză personală asupra designului ingineresc a motoarelor termice cu ardere internă având în vedere evoluţia în timp a acestora, a randamentului dezvoltat de ele şi îmbunătăţirile ce au dus la acest lucru. Se au în vedere mai mult motoarele termice şi transmisiile mecanice. Sunt tratate pe scurt istoricul, clasificarea şi utilizările lor, prezentând mai amănunţit două tipuri de motoare termice cu ardere internă: motorul BMW diesel tri-turbo și motorul pe benzină cu sistemul de distribuție variabilă VarioCam Plus de la Porsche. Dintre toate motoarele existente, cel mai des întâlnite sunt motoarele termice cu ardere internă de tip Otto sau Diesel, motoarele în doi timpi, cele rotative, dar şi motoarele termice cu ardere externă, în special cele cu aburi de tip Watt și motoarele din gama Stirling care funcţionează pe baza diferenţei de temperatură dintre două surse. Problema randamentului foarte scăzut, a noxelor mari şi a consumului foarte mare de putere şi de combustibil a fost mult ameliorată şi reglementată în ultimii 20-30 ani prin dezvoltarea şi introducerea unor mecanisme motoare şi de distribuţie moderne. Pe lângă randamente mai ridicate ce aduc imediat o mare economie de combustibili realizează şi o funcţionare optimă, fără zgomote, fără vibraţii, cu noxe mult diminuate, în condiţiile în care turaţia maximă posibilă a motorului a crescut de la 5000-6000 la circa 30000 [rot/min]. O performanţă deosebită o reprezintă creşterea permanentă a randamentului mecanic al mecanismului motor principal şi cel al sistemelor de distribuţie, fapt ce va aduce o economie de combustibil majoră. Astăzi toate motoarele cu ardere internă, dar şi cele cu ardere externă care mai sunt utilizate, funcţionează în general la standarde ridicate, cu consumuri mici de combustibil, cu nivele scăzute de vibraţii şi zgomote, cu emisii de noxe extrem de reduse comform reglementărilor actuale care sunt şi ele din ce în ce mai pretenţioase. Rezervele de petrol şi cele energetice actuale ale omenirii sunt limitate. Până la implementarea de noi surse energetice care să preia controlul real în locul combustibililor fosilici, o sursă alternativă reală de energie şi de combustibili este chiar „scăderea consumului de combustibil al unui autovehicul”, fie că vom arde petrol, gaze şi derivaţi petrolieri, fie că vom implementa într-o primă fază biocombustibilii, iar mai târziu şi hidrogenul extras din apă. Scăderea consumului de combustibil pentru un anumit tip de vehicul, pentru o sută de km parcurşi, s-a produs în mod constant din anul 1980 şi până în prezent şi va continua şi în viitor.

5

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

1. Introducere Astăzi ideile şi modelele pentru automobilul viitorului s-au înmulţit mai mult ca oricând şi se înmulţesc în continuare pe zi ce trece. Asistăm neputincioşi la o avalanşă de soluţii noi privind motorizarea sau transmisia autovehiculului. Hibrizii care promiteau o rezolvare imediată pe care nu au adus-o nici pe departe, se diversifică lunar. Fiecare nouă apariţie declară că reprezintă soluţia finală, pretinzând că s-a rezolvat astfel şi problema combustibilului, cea energetică și a noxelor. Poate că nu este rău că am atins o diversificare extremă. Acest lucru trădează revoluţia tehnologică pe care o trăim în direct, dar şi faptul că avem unele probleme legate de energie, combustibili și poluare încă nerezolvate, care cer noi şi noi modele, patente până la găsirea unor forme finale. Rezolvarea de moment a crizei energetice mondiale care putea duce la diminuarea până la dispariţie a combustibililor petrolieri, criză care ameninţă încă din anii 75-80, s-a făcut pe seama renunţării în mare parte a folosirii combustibililor fosilici pentru centralele electro sau termo-energetice. Centralele au fost schimbate din mers cu cele nucleare, în plus acum se dezvoltă în forţă centralele electrice cu celule fotovoltaice care generează energie electrică curată prin captarea energiei solare şi transformarea ei direct în curent electric la nivel celular. Randamentul convertirii a crescut de la circa 5% la aproximativ 43%. Având acum suficientă energie, inclusiv electrică s-a trecut mai peste tot şi la electrificarea transporturilor în proporţie de 70-90% : autotrenuri şi trenuri electrice, rame electrice, tramvaie, troleibuze, metrouri, autoturisme, etc. „Petrolul a răsuflat uşurat” pentru moment, la fel şi motoarele cu ardere internă utilizate cu precădere la autoturisme. Chiar dacă se vor înmulţi hibrizii şi automobilele cu motoare electrice, să nu uităm că ele trebuie să se încarce cu curent electric care în general este obţinut tot prin arderea combustibililor fosilici, cu precădere petrol şi gaze, în proporţie planetară actuală de circa 60%. Ardem petrolul în centrale termice mari ca să ne încălzim, să avem apă caldă menajeră şi energie electrică pentru consum casnic, stradal, industrial, comercial şi o parte din această energie o luăm suplimentar şi o consumăm pe vehicule cu motoare electrice. Problema globală energetică nu se rezolvă, criza chiar se adânceşte. Aşa s-a întâmplat atunci când am electrificat forţat calea ferată pentru trenuri, când am generalizat tramvaiele, troleibuzele şi metrourile, consumând brusc mai mult curent electric produs mai ales din petrol. Consumul petrolier a crescut brusc, iar preţul său a urmat să aibă un salt uriaş. Aspectul cel mai grav al acestui fapt este că poluarea şi consumul datorate arderilor suplimentare de petrol, produse petroliere şi gaze, în centrale energetice mondiale, au crescut foarte mult şi foarte brusc datorită consumului sporit de energie electrică obţinută în mare parte tot din arderea combustibililor clasici aflaţi pe cale de dispariţie. Rezervele de petrol ale Terrei s-ar putea epuiza efectiv în următorii 40-50 ani dacă continuăm tot aşa, deoarece deocamdată energiile noi implementate, regenerabile şi sustenabile abia dacă realizează 2-3%. Circa 40% sunt totuşi realizate din noii biocombustibili, din biomasă, din energia nucleară obţinută prin fisiune şi din hidrocentrale. Deocamdată energia eoliană, cea solară, cea obţinută din maree, din valurile mărilor şi oceanelor, din izvoarele termice (gheizăre), pe cale chimică sau prin diverse alte căi abia atinge acum circa 1-3% din producţia mondială de energie. Care ar fi deci explicația? Auzim vorbindu-se mereu de eforturile pe care marile guverne ale lumii le fac pentru implementarea forţată a unor astfel de noi tehnologii nepoluante şi sustenabile, în special noi centrale solare şi eoliene. Creşterile anunţate sunt de circa 30-40% anual şi totuşi randamentul lor, prezenţa lor în ponderea energiilor mondiale obţinute, rămâne încă nesemnificativă. Realitatea este că aceste creşteri se raportează tot la tehnologiile de acest fel existente global, iar o creştere de 40% din 1-2% reprezintă o creştere 6

Calangiu Radu Gheorghe reală de circa 0,8% anual, creştere care abia se observă în condiţiile păstrării producţiei şi consumului mondial de energie. Din păcate atât consumul energetic mondial cât şi producţia globală de energie suferă anual o creştere semnificativă procentuală care nu doar că egalează dar chiar depăşeşte uneori cu mult procentul efectiv de creştere a regenerabilelor moderne (eoliene, solare, etc.), astfel încât ar fi necesare creşteri mult mai susţinute la energiile noi curate pentru ca ele să realizeze o înlocuire reală treptată a centralelor cu petrol, produse petroliere, gaze naturale şi cărbune. Generalizând, construcţia de automobilele electrice va da o nouă lovitură rezervelor de petrol şi gaze, dar nu suntem încă pregătiţi real pentru acest lucru. Din fericire, în ultima vreme s-au dezvoltat foarte mult biocombustibilii, biomasa şi energetica nucleară, cea bazată pe reacţia de fisiune nucleară. Acestea împreună cu hidrocentralele au reuşit să producă circa 40% din energia reală consumată global. Numai circa 2-3% din resursele energetice globale sunt produse prin diverse alte metode alternative. Acest fapt nu trebuie să ne dezarmeze şi să renunţăm la implementarea centralelor solare și eoliene. Totuşi, ca o primă necesitate de a scădea şi mai mult procentul de energii globale obţinute din petrol şi gaze, primele măsuri ce vor trebui continuate vor fi sporirea producţiei de biomasă şi biocombustibili împreună cu lărgirea numărului de centrale nucleare, în ciuda unor evenimente nedorite, care ne arată doar faptul că centralele nucleare pe fisiune trebuie construite cu un grad sporit de siguranţă şi în nici un caz eliminate încă de pe acum, ele fiind în continuare, cea ce au fost şi până acum, „un rău necesar”. Sursele alternative vor lua ele singure o amploare nebănuită, dar aşteptăm ca şi energia furnizată de ele să fie mult mai consistentă în procente globale pentru a putea să ne şi bazăm pe ele la modul real, altfel riscăm ca toate aceste energii alternative să rămână neexploatate. Programele energetice de tip combustibil hidrogen, „când demarează, când se opresc”, astfel încât nu mai e timp real acum pentru a ne salva energetic prin ele, deci nu mai pot fi prioritare, dar pe camioane şi autobuze ar putea fi implementate chiar acum, deoarece au fost rezolvate parţial problemele cu stocarea. Problema cea mai mare la hidrogen nu mai este stocarea sigură, ci cantitatea mare de energie necesară pentru extragerea lui şi mai ales pentru stocarea și îmbutelierea lui. Cantitatea uriaşă de energie electrică consumată pentru îmbutelierea hidrogenului va trebui să fie obţinută în totalitate prin surse alternative energetice, în caz contrar programele pentru hidrogen nu vor fi rentabile pentru omenire, cel puţin pentru moment. Personal, cred că utilizarea imediată a hidrogenului extras din apă cu ajutorul energiilor alternative ar fi mai potrivită la navele maritime, la autobuze şi camioane. Atâta timp cât regenerabilele nu vor reprezenta cel puţin 80-90% din producţia mondială energetică, nu are nici un rost să mai înlocuim şi motoarele termice de pe automobile cu motoare electrice. Când utilizarea consumabilelor: petrol, produse petroliere, gaze, cărbune va mai reprezenta procentual doar 10-15% din energia obţinută anual global, abia atunci vom putea lua în calcul implementarea automobilelor cu motoare electrice în locul celor cu motoare termice. Deocamdată nu e benefică înlocuirea parcului auto echipat cu motoare termice, cu unul electrificat şi nu doar că nu e benefică, însă în mod real nici nu este posibilă. Putem doar să mai spunem că datorită automobilului clasic, cu motoare termice, în plină criză energetică , producţia de automobile şi autovehicule a sporit într-un ritm alert , dar firesc, iar acestea au şi fost comercializate şi utilizate. S-a pornit la declanşarea crizei energetice mondiale în anii 1970, de la circa 200 milioane autovehicule pe glob și s-a atins cifra de aproximativ 350 milioane în 1980 când s-a declarat pentru prima oară criza energetică şi de combustibili mondială.În 1990 circulau circa 500 milioane autovehicule pe glob, iar în 1997 numărul de autovehicule înmatriculate la nivel mondial depăşea cifra de 600 milioane. În 2010 circula pe întreaga planetă peste 800 milioane autovehicule. Curând, cantitatea de autovehicule rutiere aflate în circulaţie care s-a mărit de patru ori pe perioada crizei din 1970

7

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă şi până în 2010, ajungând de la 200 mil. la 800 mil., va atinge miliardul. Astfel ne dăm seama că nu se va putea casa rapid un parc auto de un miliard de autovehicule pentru a-l înlocui în totalitate cu unul electrificat. Eforturile sporite ale guvernelor tuturor ţărilor abia reuşesc să retragă din circulaţie anual circa 1-2% din parcul de autovehicule care depăşesc 20-30 ani de când sunt în circulaţie. Chiar dacă am mai avut timp să descoperim noi zăcăminte petroliere, să începem extracţia şi din cele de adâncimi mai mari, chiar dacă cele vechi au mai câştigat timp să se mai refacă cât de cât, chiar dacă am sfredelit şi platourile marine cu riscul creerii în viitor a unor noi cutremure şi chiar dacă am trece cu industrie cu tot să ne îmbrăcăm din nou sănătos din in, cânepă, bumbac, mătase naturală, lână, un lucru este clar, „mai devreme sau mai târziu petrolul (aurul negru) se va termina, stocurile fosilice se vor epuiza”. Acesta este motivul principal pentru care benzina şi motorina s-au scumpit foarte mult începând din anii 1980 şi până în prezent şi nici nu se vor mai ieftini semnificativ..

Soluţii şi alternative pentru menţinerea motoarelor termice Iubitorii motorului cu ardere internă nu pot renunţa uşor la el. E prea robust, compact, dinamic, rapid, puternic, independent. În condiţiile în care încep să apară motoarele magnetice, combustibilii petrolieri se împuţinează, energia care era obţinută prin arderea petrolului este înlocuită cu energie nucleară, hidroenergie, energie solară, eoliană şi cu alte tipuri de energii neconvenţionale, motoarele electrice au luat locul celor cu ardere internă în transportul public și mai recent ele au pătruns şi în lumea autoturismelor. Honda a realizat un autovehicul care utilizează un motor electric compact, iar energia electrică consumată de la acumulator este refăcută printr-un sistem care foloseşte un generator electric cu arderea hidrogenului în celule. Astfel avem o maşină care arde hidrogen, dar este acţionată de un motor electric. Motoarele cu ardere internă în patru timpi: Otto, Diesel, Wankel sunt robuste, dinamice, compacte, puternice, fiabile, economice, autonome, independente şi vor fi din ce în ce mai nepoluante. Motoarele magnetice combinate şi cu cele electromagnetice sunt abia la început, însă ele ne oferă o perspectivă îmbucurătoare mai ales în industria feroviară şi aeronautică. Motoarele Otto sau cele cu ardere internă în general, vor trebui să se adapteze la noul combustibil, hidrogenul. Acesta fiind compus din elementul de bază, hidrogenul, se poate extrage industrial practic din orice alt element sau combinaţie prin procedee nucleare, chimice, fotonice, prin radiaţii, prin ardere, etc. Cel mai uşor, hidrogenul poate fi extras din apă, prin descompunerea ei în elementele constituente, hidrogenul şi oxigenul; prin arderea hidrogenului se reface apa pe care o redăm circuitului ei natural, fără pierderi şi fără poluare.O altă soluţie este extragerea din apă a hydroxylului lichid. Hidrogenul trebuie stocat în rezervoare cu celule de tip fagure pentru a nu exista pericolul unor explozii. Cel mai frumos ar fi dacă am putea descompune apa direct pe autovehicul, caz în care rezervorul s-ar alimenta cu apa. Aici s-au anunţat unele reuşite: de exemplu, având în vedere pierderile energetice impuse de acest proces, am putea să le compensăm prin captarea energiei fotonice şi conversia ei în energie electrică, o mare parte din aceasta ar putea fi utilizată la disocierea apei în hidrogen sau hydroxyl. În unele ţări se produc alcooli sau uleiuri vegetale, pentru utilizarea lor drept combustibili însă nu e o soluţie nouă şi nici prea eficientă.

8

Calangiu Radu Gheorghe Auzim din ce în ce mai des de biocombustibili. Diesel a gândit primul său motor pentru o funcţionare cu biodiesel, mai exact cu ulei vegetal biologic extras din alune, dar motorina care atunci se găsea din belşug a reuşit să ia locul biocombustibililor la vremea respectivă, având atunci şi un preţ foarte scăzut. Recent s-a născut ideea utilizării algelor marine pentru obţinerea unor combustibili vegetali superiori. Având în vedere cantitatea uriaşă de alge pe care am putea-o recolta din oceanul planetar, varianta este chiar interesantă. În viitor, aeronavele vor utiliza motoare ionice, magnetice, cu laseri sau diverse microparticule accelerate. Astfel de mini motoare vor putea propulsa în viitor şi diversele mijloace de transport, iar cândva poate chiar autovehiculele. Au apărut deja spre vânzare şi mini centralele nucleare particulare utilizate de mult pe nave şi submarine. Cine dispune de bani va putea să-şi adapteze aceste minicentrale nucleare pentru diverse nevoi personale, inclusiv pentru transportul particular, dacă legile nu vor împiedica acest lucru. MagLev-ul (Magnetic-Levitation) funcţionează deja cu succes în China şi Japonia de mulţi ani demonstrând din nou superioritatea forţelor exercitate de câmpurile electromagnetice. Chiar şi în aceste condiţii, motoarele cu ardere internă vor trebui menţinute cel puțin la vehiculele terestre pentru puterea, compactitatea, fiabilitatea şi mai ales dinamica lor.

9

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

2. Inventarea şi evoluţia motoarelor termice În anul 1680 fizicianul olandez, Christian Huygens proiectează primul motor cu ardere internă alimentat cu praf de puşcă dar acesta nu va fi construit. În 1807 elveţianul Francois Isaac de Rivaz inventează un motor cu ardere internă care utiliza drept combustibil un amestec lichid de hidrogen şi oxigen. Automobilul proiectat de Rivaz pentru noul său motor a fost însă un mare insucces, astfel încât şi motorul său a trecut pe linie moartă, neavând o aplicaţie imediată. (foto 1)

Fig. 1. Prima utilizare a unui motor cu combustie internă într-un automobil primitiv "- construit de François Isaac de Rivaz în 1808

În 1824 inginerul englez Samuel Brown adaptează un motor cu aburi determinându-l să funcţioneze cu benzină (vezi figura 2).

Fig. 2. Motorul Samuel Brown

În 1858 inginerul născut în Belgia Jean Joseph Etienne Lenoir a inventat şi a patentat (1860) un motor cu dublă pornire prin scânteie electrică prin combustie internă alimentat cu gaz lichid extras din cărbune. În 1863, Lenoir a ataşat şi a îmbunătăţit motorul folosind petrolul şi un carburator rudimentar pentru o căruţă pe trei roţi care a reuşit o călătorie istorică de 50 mile pe şosea. Acesta este practic primul motor real cu ardere internă, cu aprindere electrică prin scânteie, acesta fiind un motor ce funcţiona în doi timpi. În 1863 tot belgianul Lenoir este cel care adaptează la motorul său un carburator făcându-l să funcţioneze cu gaz petrolier sau benzină (a se urmări figura 3).

10

Calangiu Radu Gheorghe

Fig. 3. Motorul Lenoir, în doi timpi

În anul 1861 inginerul francez Alphonse Beau de Rochas, brevetează pentru prima oară motorul cu ardere internă în patru timpi fără însă a-l construi. În 1864 inginerul austriac Siegfried Marcus, a construit un motor cu un cilindru cu carburator improvizat , rudimentar şi a adaptat motorul său pentru o cursă lungă de 500 de picioare. Câțiva ani mai târziu, Marcus a proiectat un vehicul care a atins pe o distanţă scurtă 16 km/h, câţiva istorici l-au considerat ca precursor al automobilului modern, fiind primul vehicul din lume alimentat cu benzină. Este meritul inginerilor germani Eugen Langen şi Nikolaus August Otto de a construi și de a realiza fizic modelul teoretic al francezului Rochas: primul motor cu ardere internă în patru timpi, în anul 1866, având aprinderea electrică, carburaţia şi distribuţia într-o formă avansată. Zece ani mai târziu, (în 1876), Nikolaus August Otto îşi brevetează motorul său, ce folosea numai 0,8 metri cubi de gaz, iar randamentul era de 16 %. (vezi fig. 4).

Fig. 4. Motorul Otto, primele tipuri

În acelaşi an ,1876, Sir Dougald Clerk, pune la punct motorul în doi timpi al belgianului Lenoir, aducându-l la forma cunoscută şi azi. (vezi fig. 5)

11

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Fig. 5. Motorul Sir Dougald Clerk, în doi timpi

În 1885, Gottlieb Daimler şi Wil-helm Maybach produc motorul ce reprezintă primul prototip al motorului modern cu benzină, prevăzut cu carburator. Daimler ataşează un motor unei biciclete, producând în 1885 prima motocicletă, numită "Reitwagen“ (“căruţ de călărie”). “Căruţul de călărie” era prevăzut cu cadru şi roţi din lemn masiv cu cercuri de fier, iar scaunul şoferului nu era decât o şa din piele.

Fig. 6. Primul motor Gottlieb Daimler

Tot în 1885, Karl Benz crează “Motorwagen”, primul autovehicul comercial, care era dotat cu motor 4 cilindri, ce funcţiona cu benzină. Pentru motorul său, Benz a obţinut patentul german cu numărul 37435 în 29 ianuarie 1886 (foto).

12

Calangiu Radu Gheorghe

Fig 7. Primul motor Karl Benz

În anul următor, Daimler a echipat o trasură, transformând-o în vehicul cu motor, ce se deplasa cu 16 km/h, fiind totodată şi primul automobil cu patru roţi.

Fig 8. Primul automobil cu patru roți Daimler Motor Carriage - 1886

Atât Daimler cât şi Benz lucrau noi motoare pentru noile lor autovehicole. În 1889 Daimler îmbunătăţeşte motorul cu ardere internă în patru timpi, construind un «doi cilindri în V», şi aducând distribuţia la forma clasică de azi, «cu supapele în formă de ciupercuţe». În 1890, Wilhelm Maybach construieşte primul «patru-cilindri» cu ardere internă în patru timpi şi fondează împreună cu Daimler - Daimler Motor Company sau DMG pe scurt, care s-a dedicat construirii de mici motoare de mare viteză, cu ardere internă pentru transportul terestru, naval sau aerian. S-au axat în special pe construcţia şi dezvoltarea motoarelor cu ardere internă nedorind încă contruirea unui automobil, considerându-l costisitor şi neprofitabil. După ore lungi de dezbateri, care ar fi cel mai bun combustibil pentru motorul Otto în patru timpi, care folosea gazul metan drept combustibil, au apelat la benzină, care până atunci fusese folosită în principal ca un solvent de curăţare și vândut doar în farmacii. În 1894 Maybach a proiectat al treliea model al său de motor împreună cu Daimler și fiul său, Paul. Acest motor a câștigat atenția la nivel mondial de pionierat pentru utilizarea a patru cilindri în automobile, fiind caracterizat prin turnarea într-un singur bloc a cilindrilor dispuşi vertical și paralel între ei, având supapele controlate de arborele cu came, iar alimentare era făcută cu un carburator cu duză pulverizatoare, patentat de Maybach în 1893.

13

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Creațiile lui Maybach sunt considerate unele dintre cele mai bune motoare din a doua jumătate a secolului XIX. Invențiile sale au devenit indispensabile pentru orice model al oricărui producator auto din lume şi a brevetat mai multe invenții, inclusiv un sistem de răcire revoluționar, radiatorul tubular cu ventilator şi radiatorul fagure de miere. În 1892 apare primul automobil Peugeot cu o motorizare proprie de tip Otto (vezi figura9).

Fig. 9. Primul Peugeot apărut în anul 1892

Tot anul 1892 este un an special deoarece, inginerul german Rudolf Christian Karl Diesel, inventează motorul cu aprindere prin comprimare, pe scurt motorul diesel (vezi foto 10).

Fig. 10. Motorul Rudolf Christian Karl Diesel; pe scurt motorul diesel, cu aprindere prin compresie şi cu injecţia combustibilului După Lenoir şi Otto, apare invenţia lui Diesel ca fiind de o importanţă deosebită. Motorul diesel este un motor cu combustie internă, cu aprindere prin compresie în care combustibilul 14

Calangiu Radu Gheorghe se detonează doar prin temperatura ridicată creată de comprimarea amestecului aercarburant şi nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, aşa cum ar fi bujia în cazul motorului pe benzină. Motorul operează utilizând ciclul diesel. Inginerul german Rudolf Diesel, care l-a inventat în 1892 şi l-a patentat pe 23 februarie 1893, intenţiona ca motorul său să utilizeze o varietate largă de combustibili, inclusiv praful de cărbune, parcă prevăzând peste veacuri necesitatea diversificării combustibililor şi renunţarea treptată la combustibilii fosili petrolieri aflaţi pe cale de dispariţie. Diesel şi-a prezentat invenţia funcţionând în 1900 la Expoziţia Universală World's Fair utilizând ulei de alune ,motorul diesel fiind atunci spre deosebire de utilizarea lui ulterioară destinat funcţionării cu bio combustibili. În 1896 Rudolf Diesel la fabrica de mașini din Augsburg realizează primul model de motor diesel cu un piston având un cilindru înalt de oțel și o volantă. Acesta funcționa autonom, cântarea 5 tone și producea 20 cp la o turatie de 172 rpm, avea o eficiență de 26,6% fată de motorul pe benzină cu o eficienta de 15%, sau motorul cu aburi a cărui eficiență era de sub 10% . După apariția motorului Otto pe benzina și diesel, inovațiile și îmbunătățirile acestor motoare iau amploare, ele dezvoltându-se puternic și in zilele noastre. În anul 1929 Felix Wankel brevetează primul motor cu piston rotativ, motorul rotativ Wankel.

Fig. 11. Motor Wankel

Motorul rotativ folosește același principiu de transformare a presiunii în mișcare de rotație, ca și la motoarele cu piston. Motorul Wankel este un motor in 4 timpi, de o construcție mai simplă decât motoarele clasice cu ardere internă. Iată mai jos o schemă cu principiul de funcționare: Motorul Wankel are destul de mulți fani care apreciază structura simplă, durabilitatea si fiabilitatea lui. Greutatea mică si dimensiunea redusă sunt elemente căutate mai ales de cei care doresc o masină cu caracter sportiv. Un aspect interesant este plaja cuplului motor care este constantă indiferent de turație. Prin structura simplă, fără pistoane, biele, valve mecanice sau curele, este mai ușor de fabricat și datorită pieselor în mișcare mai puține, este și mai fiabil. Trebuie luat în considerare și faptul că dacă motorul funcționează la 8.000 rpm, rotorul se învârte doar la o treime, ceea ce în timp îl face mult mai fiabil decât motoarele cu pistoane.

15

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă La capitolul dezavantaje trebuie amintit că etanșeizarea camerelor nu este foarte bună și de aici rezultă benzina nearsă și implicit un consum mare. Un alt mare minus in zilele noastre este dat de faptul că emisiile de gaze sunt semnificativ mai mari decât la un motor clasic. Un alt dezavantaj este că diferite cantități de ulei ajung în camerele de ardere, ceea ce îi obligă pe proprietarii de mașini cu motoare rotative să adauge permanent ulei.

16

Calangiu Radu Gheorghe

3. Modul de funcționare al motorului Otto Motorul Otto se mai numeşte şi motor cu aprindere prin scânteie (MAS) sau motor cu explozie. Motorul Otto funcţionează după 4 timpi: - timpul I → admisia - timpul II → compresia - timpul III → arderea şi detenta - timpul IV → evacuarea Timpul III este singurul timp în care motorul cedează lucru mecanic în exterior şi, din această cauză, se numeşte timp motor. În ceilalţi timpi motorul trebuie să primească lucru mecanic din exterior, fiind timpi morţi.

Fig. 12. Modul de funcționare al motorului Otto Timpul I - Admisia Timpul I începe prin închiderea supapei de evacuare, urmată imediat de deschiderea supapei de admisie şi de deplasarea rapidă a pistonului de la punctul mort superior (p.m.s.) la punctul mort inferior (p.m.i).  

În cilindru se aspiră amestecul carburant format de către carburator din vapori de benzină şi aer. Admisia se realizează practic la presiune constantă (presiunea atmosferică).

Timpul II - Compresia Timpul II începe cu închiderea supapei de admisie. Pistonul se deplasează rapid de la p.m.i. la p.m.s., comprimând amestecul carburant până la 12-18 bar.  Din cauza vitezei mari cu care se realizează comprimarea, în acest proces, practic, nu are loc schimb de căldură cu exteriorul, compresia fiind considerată un proces adiabatic.

17

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă 

La sfârşitul timpului II, amestecul carburant ajunge la 400o – 500oC.

Timpul III – Arderea şi detenta Arderea  În momentul în care pistonul este la p.m.s., bujia produce o scânteie electrică ce aprinde amestecul carburant.  Arderea se produce extrem de rapid, ca o explozie, ducând la creşterea instantanee a presiunii până la aprox. 25 - 40 bar şi 1500ºC - 2000ºC.  Arderea poate fi considerată un proces izocor. Detenta   

Gazele provenite din ardere împing pistonul de la p.m.s. la p.m.i. Din cauza vitezei mari cu care se deplasează pistonul, în acest proces, nu are loc schimb de căldură cu exteriorul, detenta fiind considerată un proces adiabatic. Timpul III este singurul timp motor al ciclului, în care se efectează lucru mecanic util.

Timpul IV - Evacuarea  La începutul timpului IV, supapa de evacuare se deschide când pistonul este la p.m.i.  Evacuarea are loc iniţial prin ieşirea bruscă a gazelor în atmosferă, întrucât presiunea în cilindru este mai mare decât presiunea atmosferică. Această parte a timpului IV constituie un proces izocor.  Restul gazelor sunt evacuate prin deplasarea pistonului de la p.m.i. la p.m.s., procesul realizându-se la presiune constantă.

18

Calangiu Radu Gheorghe Randamentul motorului Otto

Fig. 13. Randamentul motorului Otto În timpul I, admisia, volumul gazului din cilindru creşte practic la presiune şi temperatură constantă. Reprezentarea 0→1 nu intră în ciclu, deoarece în tot timpul acestui proces, numărul de moli de gaz din cilindru este variabil − transformarea nu este nici izobară, nici izotermă! Timpul II, compresia, este suficient de rapidă, astfel că poate fi aproximată prin adiabata 1→2. În acest proces, amestecul combustibil nu schimbă căldură şi primeşte lucru mecanic. Aproximând amestecul un gaz ideal, lucrul mecanic primit este:

Temperatura amestecului creşte (T2>T1), ceea ce pune probleme de stabilitate a acestuia: amestecul nu trebuie să se autoaprindă înainte de finalizarea compresiei. Timpul III, arderea, corespunde succesiunii de transformări 2→3→4. În starea 2 este declanşată scânteia, amestecul se aprinde şi arde. Presiunea şi temperatura cresc atât de repede încât pistonul practic nu se deplasează − procesul 2→3 este aproape izocor. Gazul nu efectuează lucru mecanic şi primeşte cantitatea de căldură:

Imediat după aceasta, gazul se destinde suficient de rapid pentru a considera procesul ca fiind adiabatic. Gazul nu schimbă căldură şi efectuează lucrul mecanic:

La începutul timpului IV, evacuarea, deschiderea supapei de evacuare provoacă o scăderea bruscă a presiunii şi temperaturii gazului din cilindru, aproape fără modificarea volumului. Procesul poate fi aproximat prin izocora 4→1. Gazul nu efectuează lucru mecanic şi cedează cantitatea de căldură:

19

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Poţi calcula acum randamentul ciclului Otto:

În această formă, randamentul depinde de cele patru temperaturi. Aceste temperaturi nu sunt independente. Pentru transformarea adiabatică 1→2, poţi scrie:

De aici, obţii imediat:

Raportul volumelor extreme ale ciclului,

, este numit raport de compresie, astfel că:

Asemănător, din ecuaţia adiabatei 3→4, obţii:

Cu acestea, randamentul ciclului Otto este:

Aşadar, randamentul ciclului Otto depinde doar de raportul de compresie ε! Deoarece exponentul adiabatic este supraunitar, cu cât este mai mare raportul de compresie, cu atât mai mare este randamentul!

20

Calangiu Radu Gheorghe

21

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

4. Modul de funcționare al motorului Diesel Motorul Diesel functioneaza in 4 timpi si anume:

Fig. 14. Modul de funcționare al motorului Diesel Timpul I - Admisia Prin deschiderea supapei de admisie și închiderea supapei de evacuare, pistonul deplasându-se de la punctul mort superior în punctul mort inferior, introduce aer în cilindru. Timpul II - Compresia După închiderea supapelor, pistonul începe să se deplaseze dinspre punctul mort inferior înspre cel superior comprimând aerul din piston. La un anumit moment al compresiei, prin Pe durata timpilor 1, 2 si 4 mișcarea este transmisă de la arborele cotit la piston, iar pe durata timpului 3, mișcarea este transmisă de la piston la arborele cotit, fiind de fapt cea care generează funcționarea motorului. Pentru o mai bună înțelegere a modului de funcționare a motorului diesel ,motor cu aprindere prin compresie, vom explica mai amănunțit fenomenele care se petrec pe durata timpilor 2 si 3. Combustibilul, introdus prin injectare în cilindru, se autoaprinde . Timpul III - Arderea și detenta Amestecul de aer cu vapori de motorină, comprimat într-un timp foarte scurt, explodează, împingând pistonul din punctul mort superior în punctul mort inferior. Timpul IV - Evacuarea Supapa de evacuare se deschide, iar cea de admisie rămâne închisă și, prin deplasarea pistonului din punctul mort inferior în cel superior, sunt evacuate gazele arse din cilindru. În contact cu aerul comprimat în prealabil în cilindrul motorului, datorită temperaturii înalte realizate prin comprimare, prin injecție se produce autoaprinderea. Presiunea aerului comprimat este cuprinsă între 30 si 60 at. și temperatura 500°C și 700°C, corespunzător unui raport volumetric de comprimare cuprins între 12:1 și 22:1. Introducerea (pulverizarea) combustibilului în cilindru se face cu ajutorul injectorului. Presiunea necesară pentru pulverizarea combustibilului se realizează cu o pompă de injecție. Randamentul total, efectiv al motorului diesel este cuprins între 0.28 si 0.40.

22

Calangiu Radu Gheorghe Randamentul motorului Diesel Trasând schema de funcționare a motorului diesel, în sistemul de coordonate presiune (p) și volum (v), observăm următoarele transformări, în funcție de cei 4 timpi ai

motorului: Fig. 15. Randamentul motorului Diesel Timpul I - Aspirația A›1 absorbție izobară (P1=constant=presiunea atmosferică) Timpul II - Compresia 1›2 compresie adiabatică (P2 este de cca. 35-50 atm., iar temperatura de aproximativ 700-800°C ) Timpul III - Arderea si detenta 2›3 ardere izobară (arderea este lentă, concomitent cu deplasarea pistonului, mărindu-se volumul de la V2 la V3) 3›4 detenta adiabatică (este singurul timp motor, când se efectuează lucru mecanic) Timpul IV -Evacuarea 4›1 destindere izocoră (momentul când se deschide supapa de evacuare, iar pistonul este în punctul mort inferior) 1›A evacuare izobară (gazul este împins de piston afară, la P1=constant=presiunea atmosferică)

Pentru a calcula randamentul oricărui ciclu termodinamic folosim cea mai convenabilă variantă a expresiei:

23

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Două dintre transformările ciclului Diesel sunt adiabate, astfel încât sistemul schimbă căldură cu mediul doar în celelalte două transformări. Cea de−a doua variantă este mai convenabilă − vei fi nevoit să exprimi doar două cantităţi de căldură. În timpul transformării izobare 2→3, datorită arderii combustibilului, gazul primeşte cantitatea de căldură:

În timpul transformării izocore 4→1, datorită deschiderii supapei de evacuare, gazul se răceşte brusc, cedând cantitatea de căldură:

Astfel, expresia randamentului ciclului Diesel devine:

Temperaturile atinse în timpul ciclului nu sunt independente. Din ecuaţia compresiei adiabatice 1→2, obţii:

unde

este raportul de compresie al motorului.

Din ecuaţia transformării izocore 2→3, obţii:

unde

este raportul de destindere izobară.

Din ecuaţia destinderii adiabatice 3→4:

rezultă

24

Calangiu Radu Gheorghe Astfel,

Folosind în relaţia (1) expresiile prelucrate ale temperaturilor, expresia finală a randamentului ciclului Diesel este:

Un motor diesel are un raport de comprimare mai mare, presiunea în cilindru mai mare deci și cuplu mai mare. În schimb regimurile de turații sunt mai mici. Motorul pe benzină are putere mai mare datorită regimului mai înalt de turații, dar un cuplu mai mic datorat presiunii medii din cilindru mai scăzute. Cum randamentul unui motor poate fi sporit fie prin creșterea turației maxime și medii, fie prin creșterea raportului de comprimare, realizarea unui motor care să aibă crescute și turațiile de lucru și raportul de comprimare va realiza randamente termice ,dar și mecanice superioare. Un prim pas pentru realizarea acestui deziderat l-a constituit chiar trecerea la motorul pe benzină cu injecție care ȋși păstrează turațiile de lucru ridicate și realizează și un raport de comprimare mai mare, asemeni motoarelor diesel. Se ȋncearcă și ridicarea turației de lucru, a motorului de tip Otto cu injecție de combustibil, la valori mult superioare. În acest scop s-au realizat mecanisme de distribuție speciale, superioare, care să poată să lucreze și la turații ridicate, fără clasicele mecanisme de distribuție care la 10000 de ture pe min. vibrau extrem și clacau. Motorul termic cu ardere internă este realizat compact, la scară redusă, astfel ȋncȃt toate vitezele și accelerațiile pieselor aflate ȋn mișcare să scadă, și odată cu ele și forțele inerțiale și reacțiunile din cuple. Astfel se compensează creșterea accelerațiilor și a forțelor inerțiale datorate ridicării vitezelor unghiulare ca urmare a turațiilor de lucru extrem de mari. Puterile obținute de un astfel de motor compact și superturat vor fi cel puțin echivalente cu cele generate de motoarele cu gabarite mari și turații de lucru normale , dar consumul de combustibil realizat de noul motor, cu gabarit mai redus, va fi și el mai redus. Se așteaptă astfel realizarea unor randamente mecanice și termice mult superioare care pe o cale normală nu ar fi putut fi obținut. În scopul realizării noilor motoare compacte și superturate (a nu se confunda cu supraturarea și/ sau supraalimentarea unui motor ,acum discutăm de turații extrem de ridicate), se vor utiliza materiale speciale rezistente la presiuni foarte ridicate, ungeri speciale, piese și componente speciale și eventual combustibili speciali. Se știe că arderea la turații mult mai mari va trebui să se producă integral ȋntr-un timp mult mai scurt, fapt ce se poate realiza, spre exemplu, prin utilizarea hidrogenului, care arde de circa zece ori mai repede decȃt combustibilii clasici cunoscuți, și ȋn plus nu poluează.

25

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

5. Motoare de ultimă generaţie şi inovaţii 5.1. Motorul BMW tri-turbo diesel În anul 2004 BMW a lansat în producție primul motor de automobil bi-turbo cu două turbocompresoare montate în serie, la care comprimarea aerului se face în două etaje. Noul motor BMW diesel N57S, de 3.0 litri, cu 6 cilindri în linie, beneficiază de un sistem de turbo supraalimentare cu 3 turbocompresoare, numit și motorul tri-turbo. Acesta produce 740 Nm și 381 CP!

Fig. 16. Motorul BMW diesel tri-turbo

Motorul tri-turbo echipează automobilele BMW din gama Motorsport: M550d xDrive, M550d xDrive Touring, X5 M50d și X6 M50d. Sistemul de supraalimentare este produs de BorgWarner exclusiv pentru BMW. Acesta este compus din 3 turbocompresoare, două de presiune înaltă (BV45) și unul de presiune joasă (BV2).

26

Calangiu Radu Gheorghe

Fig. 17. Sistemul de turbo supraalimentare de pe motorul BMW tri-turbo

1. 2. 3. 4. 5.

turbocompresor de presiune joasă (LP – low pressure) radiator răcire intermediară presiune joasă (intercooler) turbocompresor de presiune înaltă (HP1 – high pressure 1) turbocompresor de presiune înaltă (HP2 – high pressure 2) radiator răcire intermediară presiune înaltă (intercooler)

27

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Turbocompresorul de presiune joasă (BV2) este cu geometrie fixă și waste-gate. Cele două turbocompresoare de presiune înaltă (BV45) sunt cu geometrie variabilă cu acționare electrică și răcite cu lichid.

Fig. 18. Circuitul de turbo supraalimentare al motorului BMW diesel tri-turbo

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

28

admisie aer proaspăt evacuare gaze arse supapă de bypass compresor de presiune joasă (LP) turbocompresor de presiune joasă (LP) waste-gate turbină (LP) radiator răcire intermediară presiune joasă (intercooler) supapă de recirculare aer compresor presiune înaltă (HP2) turbocompresor de presiune înaltă (HP2) turbocompresor de presiune înaltă (HP1) supapă compresor presiune înaltă (HP2) supapă control debit gaze arse turbină (HP2) radiator răcire intermediară presiune înaltă (intercooler)

Calangiu Radu Gheorghe

Turbocompresorul de presiune înaltă (HP1) este tot timpul în acțiune, începând cu turația de ralanti. La sarcini mici, dacă turația motorului depășește 1500 rot/min intră în acțiune și turbocompresorul de presiune joasă (LP). Peste turații de 2500 rot/min este acționat și al doilea turbocompresor de presiune înaltă (HP2).

Fig. 19. Componentele sistemului de turbo supraalimentare motor BMW tri-turbo 1. turbină presiune joasă 2. waste-gate turbină presiune joasă 3. conductă alimentare ulei arbore turbocompresor presiune joasă 4. compresor presiune joasă 5. radiator răcire intermediară presiune joasă (intercooler) 6. racord circuit apă răcire turbocompresor presiune joasă 7. compresor presiune înaltă (HP1) 8. turbină presiune înaltă (HP1) 9. compresor presiune înaltă (HP2) 10. turbină presiune înaltă (HP2) 11. acționare pneumatică supapă de recirculare aer compresor presiune înaltă (HP2) 12. acționare pneumatică supapă compresor presiune înaltă (HP2) 13. acționare pneumatică supapă control debit gaze arse turbină (HP2) În funcție de punctul de funcționare al motorului sistemul de turbo supraalimentare poate fi:

29

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă   

mono-turbo: aerul este comprimat doar de turbocompresorul de presiune înaltă, acționat permanent HP1 bi-turbo: aerul este comprimat de turbocompresorul de presiune joasă LP și de cel de presiune înaltă HP1 tri-turbo: aerul este comprimat de turbocompresorul de presiune joasă LP apoi, în paralel, de cele două compresoare de presiune înaltă

Comprimarea aerului se face într-un singur etaj sau două. Indiferent că este modul bi-turbo sau tri-turbo, aerul este comprimat în două etaje, diferența fiind dată de faptul că în modul triturbo comprimarea aerului se realizează de două turbocompresoare ce lucrează în paralel.

Fig. 20. Circuitul aerului admis și al gazelor arse pentru motorul BMW tri-turbo

30

Calangiu Radu Gheorghe Sistemul de turbo supraalimentare are 5 moduri de funcționare adaptate regimului de funcționare al motorului. Pentru a putea realiza aceste moduri de funcționare, calculatorul de injecție acționează 7 actuatori electrici ai sistemului de turbo supraalimentare. Cele 5 moduri de funcționare sunt sintetizate în tabelul de mai jos.

Supapă Mod de bypass funcționare compresor (LP) 1 2 3 4 5 X – închisă O – deschisă C – controlată

O X X X X

Supapă recirculare compresor (HP2) O O O X X

Supapă Supapă debit compresor gaze (HP2) turbină (HP2) X X X X X X O O O O

WasteGeometrie Geometrie gate turbină turbină turbină (HP1) (HP2) (LP) X X C X C

C C C C C

X X X C C

31

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Modul 1 (mono-turbo) La turații și sarcini mici comprimarea aerului se face doar cu ajutorul turbocompresorului de presiune înaltă acționat permanent (HP1). Debitul gazelor arse ce trec prin turbină (HP1), deci implicit turația turbinei, sunt controlate cu ajutorul geometriei turbinei. Compresorul de joasă presiune (LP) este ocolit prin deschiderea supapei de bypass. De asemenea supapa de recirculare a aerului compresorului de înaltă presiune (HP2) este deschisă, supapa ce permite aerului ce iese din compresorul (HP2) este închisă și supapa de debit al gazelor de evacuare pentru turbina de înaltă presiune (HP2), de asemenea, închisă. În acest mod de funcționare aerul este comprimat doar turbocompresorul HP1, turbocompresorul de joasă presiune (LP) fiind ocolit, iar cel de înaltă presiune (HP2) dezactivat.

Fig. 21. Modul 1 de funcționare mono-turbo, al motorului BMW N57S

Modul 2 (bi-turbo) În acest mod de funcționare se închide supapa de bypass a turbocompresorului de presiune joasă (LP). Astfel aerul este precomprimat și apoi comprimat în al doilea etaj de către turbocompresorul de presiune înaltă (HP1).

32

Calangiu Radu Gheorghe Modul 3 (bi-turbo cu limitare a presiunii de precomprimare) Pentru a limita presiunea aerului de precomprimat de turbocompresorul de joasă presiune (LP1) în acest mod se acționează waste-gate-ul turbinei (LP). Diferența față de modul 2 este controlul turației turbinei (LP).

Fig. 22. Modurile 2 și 3 de funcționare, bi-turbo, ale motorului BMW N57S

Modul 4 (tri-turbo) În acest mod se activează si turbocompresorul de presiune înaltă (HP2). Supapa de recirculare a aerului comprimat este închisă, iar supapa de debit a compresorului (HP2) este deschisă. În același timp se controlează și turația turbinei de presiune înaltă (HP2) prin controlul geometriei. Modul 5 (tri-turbo cu limitare a presiunii de precomprimare) Pentru a preveni creșterea peste limită a presiunii de precomprimare și a turației turbinei de joasă presiune (LP) în acest mod se controlează debitul gazelor prin deschiderea waste-gateului.

Fig. 23. Modurile 4 și 5 de funcționare, tri-turbo, ale motorului BMW N57S

33

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Acest mod precis de control al sistemului de turbo supraalimentare a permis optimizarea presiunii aerului admis pe tot domeniul de funcționare al motorului. Astfel, la turații și sarcini joase motorul poate funcționa ca un motor turbo supraalimentat simplu, la turații mici, medii și pe toată plaja de sarcini, ca motor turbo supraalimentare în două etaje, iar la turații medii, mari și pe toată plaja de sarcini ca motor turbo supraalimentat în două etaje, al doilea etaj fiind realizat de două turbocompresoare în paralel.

Fig. 24. Modurile de funcționare ale sistemului de turbo supraalimentare, motor BMW tri-turbo

34

Calangiu Radu Gheorghe Datorită presiunii de supraalimentare absolută, care poate ajunge până la 3.5 bari, motorul BMW tri-turbo are parametrii specifici remarcabili. Cuplul specific este de 247 Nm/litru, iar puterea specifică de 127 CP/litru. Aceste performanțe dinamice poziționează motorul BMW triturbo în fruntea clasamentului motoarelor diesel pentru automobile.

Fig. 25. Curbele de cuplu și putere ale motorului BMW tri-turbo

Cuplul motor maxim, de 740 Nm, este disponibil între 2000 și 3000 rot/min. Puterea maximă de 381 CP este constantă între 4000 și 4400 rot/min. Pe lângă sistemul de turbo supraalimentare performant, acest motor este dotat și cu un sistem de injecție cu rampă comună și injectoare piezoelectrice de ultimă generație. Presiunea maximă de injecție poate ajunge la 2200 de bari, sistemul fiind capabil de 7 injecții divizate pe ciclu: 3 preinjecții, o injecție principală și până la 4 postinjecții. Radiatoarele de răcire a aerului comprimat sunt cu lichid și sunt alimentate de un sistem de răcire adițional cu pompă de apă electrică. Sistemul de tratare a gazelor de evacuare conține un filtru de particule, un catalizator de oxidare, un catalizator de stocare a oxizilor de azot (NOx), ceea ce permite îndeplinirea normelor de poluare Euro 6. Acest motor îmbină performanțele dinamice extraordinare cu consumul scăzut de combustibil. Automobilul BMW X5 M50d echipat cu acest motor accelerează de la 0 la 100 km/h în doar 5.5 secunde, consumul de combustibil pe ciclul de omologare NEDC fiind de doar 7.5 litri / 100 km! BMW M550d xDrive cu motor tri-turbo, accelerează de la 0 la 100 km/h în 4.7 secunde, consumul de combustibil fiind de doar 6.3 litri/100 km iar emisiile de CO2 de 165 g/km! 35

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă 5.2. Îmbunătăţirea randamentului prin recuperarea energiei gazelor de evacuare a unui motor termic (BMW) Dezavantajul suprem al motorului cu ardere internă cu piston utilizat la automobile este randamentul. Valoarea randamentului se situează în general în jurul valorii de 26...28%, motorul diesel având randamentul un pic mai bun decât motorul pe benzină. Randamentul scăzut se datorează în mare parte pierderilor mari de căldură, energia chimică a combustibilului fiind transformată în energie calorică și disipată în atmosferă.

Fig. 26. Temperatura în diferite zone ale sistemului de evacuare

Divizia de cercetare și dezvoltare a grupului BMW a proiectat și testat un sistem pentru a mări randamentul motoarelor cu ardere internă. Sistemul numit "Turbosteamer" captează energia calorică a gazelor de evacuare pe care o transformă în lucru mecanic utilizând principiul de funcționare al motorului cu abur. Sistemul, aplicat pe un motor de 1.8 litri cu patru cilindri, a redus consumul de combustibil cu până la 15%, în aceleași condiții de funcționare. Puterea generată de sistem se situează în jurul valorii de 10 kW (13.6 CP), la un cuplu de 20 Nm. Randamentul global al motorului a fost mărit de asemenea cu aproximativ 15%. Pentru scăderea consumului de combustibil și creșterea puterii s-a utilizat practic o sursă de energie care în mod obișnuit ar fi fost pierdută. Pentru a capta energia calorică a gazelor de evacuare se utilizează două circuite cu lichid, unul la temperatura înaltă și celălalt la temperatură mai scăzută. Cu acesta tehnologie BMW a reușit să capteze aproximativ 80% din energia gazelor de evacuare, energie transformată în lucru mecanic disponibil la arborele cotit. 36

Calangiu Radu Gheorghe Circuitul de înaltă temperatură utilizează energia gazelor de evacuare prin intermediul unor schimbătoare de căldură. Lichidul din circuit este transformat în abur care se destinde în motorul cu abur și produce lucru mecanic. De asemenea, căldura din circuitul de răcire a motorului este transformată în lucrul mecanic de circuitul de joasă temperatură, utilizând același ciclu termodinamic. Cele două motoare cu abur (turbine) transferă arborelui cotit puterea generată prin intermediul unei transmisii cu curea.

Fig. 27. Sistemul Turbosteamer - elementele componente

1. radiator (condensatorul circuitului de temperatură joasă) 2. pompă 3. condensator - circuit de înaltă temperatură 4. condensator - circuit de joasă temperatură 5. vaporizator - circuit de înaltă temperatură 6. vaporizator - circuit de joasă temperatură 7. motor cu abur / turbină - circuit de înaltă temperatură 8. motor cu abur / turbină - circuit de joasă temperatură Tehnologia Turbosteamer funcționează după ciclul termodinamic Rankine, care transformă căldura în lucru mecanic. Căldura utilizată provine de la o sursă exterioară, gazele de evacuare și este transferată unui fluid de lucru într-un circuit închis. Fluidul de lucru, datorită temperaturii ridicate a gazelor de ardere, se transformă în abur în vaporizator după care se destinde, scade presiunea într-o turbină (motor pe abur) producând astfel lucru mecanic. 37

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă După ieșirea din turbină, la o temperatură mai scăzută, aburul este condensat cu ajutorul unui condensator și transformat înapoi în lichid. Fluidul de lucru, care de cele mai multe ori este apă, este sub presiune și pus în mișcare cu ajutorul unei pompe.

Fig. 28. Modul de funcționare a ciclului termodinamic Rankine

1. 2. 3. 4.

fluidul de lucru intrarea în vaporizator destinderea aburului în motor / turbină intrarea în condensator

Wturbine – puterea generată de motor / turbină Wpump – puterea consumată pentru antrenarea pompei Qin – căldura gazelor de evacuare Qout – căldura absorbită de condensator

Cu acest sistem BMW confirmă potențialul motoarelor cu ardere internă pentru propulsia automobilelor viitorului la un randament din ce în ce mai bun.

38

Calangiu Radu Gheorghe Prototipul sistemului a fost testat pe un BMW seria 3 și se intenționează utilizarea acestuia și pe automobilele de dimensiuni mai mici. BMW estimează că va echipa automobilele de serie cu sistemul "Turbosteamer" începând cu anul 2015.

Fig. 29. Turbosteamer montat pe un BMW seria 3

39

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă 5.3. Sistemul de distribuție variabilă VarioCam Plus de la Porsche

Sistemul de distribuție al motorului termic cu ardere internă al unui automobil consumă o mare parte din puterea motorului respectiv, pierderile putȃnd merge chiar pȃnă la 20-30% din puterea motorului. Motoarele termice cu ardere internă ȋn patru timpi, tip Otto sau Diesel utilizează ȋn mod obligatoriu mecanisme de distribuție, necesare schimbului de gaze, admisia aerului sau amestecului carburant și evacuarea gazelor arse. Orice ȋmbunătățire adusă sistemului de distribuție, ȋn sensul reducerii consumului de putere, este bine venită pentru ȋmbunătățirea funcționării generale a motorului. Se au ȋn vedere micșorarea vibrațiilor, a zgomotelor, a noxelor, produse de mecanismele de distribuție, dar totodată și micșorarea puterii absorbite de aceste mecanisme, cu scopul creșterii puterii finale generate de motor și realizarea unui randament mecanic și termic superior. O modalitate de a ȋmbunătăți mecanismele de distribuție o reprezintă ȋmbunătățirea profilului camelor utilizate și a legilor de mișcare utilizate la proiectarea profilului respectiv. O altă modalitate importantă de a crea o distribuție superioară este cea de a utiliza o distribuție variabilă. Începând cu 1992, Porsche 968 a fost primul automobil echipat cu motor cu sistem de distribuție variabilă cu control electronic, sistem numit VarioCam. Prima versiune de distribuție variabilă putea varia poziția arborelui cu came astfel încât supapele de admisie să se deschidă cu avans de 15°. Acest sistem a fost utilizat până în anul 2001 când a fost evoluat în VarioCam Plus.

40

Calangiu Radu Gheorghe

Fig. 30. Motor Porsche 968 echipat cu sistem de distribuție variabilă VarioCam

Distribuția variabilă VarioCam inițială funcționa după un principiu foarte simplu. Arborele cu came de evacuare era antrenat de arborele cotit prin intermediul unui lanț. De asemenea, arborele cu came de admisie era cuplat cu arborele cu came de evacuare tot printr-un lanț. Acest lanț era prevăzut cu un sistem de întindere electro-hidraulic care putea varia poziția lanțului, în raport cu cei doi arbori cu came, astfel încât să modifice momentul de deschidere al supapelor de admisie.

41

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Fig. 31. Prima versiune de sistem de distribuție variabilă VarioCam.

1. arbore cu came de evacuare 2. lanț de antrenare de la arborele cotit 3. supapă electro-hidraulică 4. lanț de antrenare arbore cu came de admisie 5. întinzător lanț cu piston comandat 6. arbore cu came de admisie Întinzătorul lanțului de antrenare dintre cei doi arbori cu came are prevăzut un piston între cele două patine în contact cu lanțul. Cu ajutorul pistonului, prin comanda dată de calculatorul de injecție, lanțul este deplasat în sus/jos, simultan, pe ambele părți, în raport cu cei doi arbori cu came. Astfel, se obține o rotație de câteva grade a arborelui cu came de admisie, relativă la poziția arborele cu came de evacuare.

Fig. 32. Întinzător lanț cu piston comandat, sistem de distribuție variabilă VarioCam

42

Calangiu Radu Gheorghe Prin acest mecanism se putea realiza defazarea cu 15° (Porsche 968) sau 25° (Porsche Boxter) a arborelui cu came, față de poziția nominală. Deschiderea cu avans a supapelor de admisie se realiza în funcție de punctul de funcționare al motorului termic, între 1500 și 5500 rot/min. Sistemul de distribuție actual de la Porsche, numit VarioCam Plus combină:  

varierea continua a fazelor de deschidere/închidere ale supapelor de admisie (VarioCam) varierea înălțimii de ridicare a supapelor de admisie (Plus)

Fig. 33. Sistemul de distribuție variabilă VarioCam Plus

1. 2. 3. 4. 5.

defazor hidraulic coroană dințată (antrenată cu lanț de arborele cotit) cameră hidraulică de control orificii de curgere a uleiului came de admisie cu înălțime de ridicare mare 43

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă 6. camă de admisie cu înălțime de ridicare mică 7. pin de blocare 8. arc elicoidal 9. tachet dublu (interior și exterior) 10. arcuri de supapă 11. supape de admisie Comparativ cu primul sistem de distribuție variabilă VarioCam, sistemul actual variază fazele de deschidere ale supapelor de admisie în mod continuu. Cu ajutorul unor supape electrohidraulice se controlează presiunea uleiului din camera (3) care poziționează relativ arborele cu came de admisie față de coroana dințată de antrenare (2). Astfel, prin presiunea uleiului, se poate controla continuu avansul de deschidere al supapelor de admisie față de valoarea nominală. Modificarea înălțimii de ridicare a supapelor de admisie (Plus) se realizează cu ajutorul camelor cu profil diferit.

Fig. 34. Deschiderea supapelor de admisie cu camele cu înălțime mică

Fig. 35. Deschiderea supapelor de admisie cu camele cu înălțime mare

Controlul înălțimii de ridicare a supapelor de admisie se face cu ajutorul unei supape electrohidraulice. Acesta este comandată de calculatorul de injecție și permite alimentarea cu ulei sub presiune a cilindrilor din interiorul tacheților.

44

Calangiu Radu Gheorghe

Fig. 36. Elementele de acționare al sistemului de distribuție VarioCam Plus pentru modificarea înălțimii de ridicare a supapelor

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

tachet exterior orificiu de alimentare cu ulei pinul tachetului exterior pinul tachetului interior arc elicoidal de revenire cilindru tachet interior

În timpul funcționarii motorului, utilizând cama cu înălțime mică, presiunea uleiul din cilindrul (6) este redusă iar arcul elicoidal (5) menține pinul (3) în tachetul exterior (1) și pinul (4) în tachetul interior (7). Cele două parți ale tachetului, interioară și exterioară se pot mișca independent una față de cealaltă. În acest mod de funcționare camele cu profil mare acționează pe tachetul exterior (1) care se mișcă în gol. Supapa de admisie este deschisă de tachetul interior (7) care este acționat de cama cu profil mic.

45

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Fig. 37. Sistemul de distribuție VarioCam Plus, activarea camelor cu înălțime mare

Când se dorește activarea camelor cu înălțime mare, prin orificiile (2), prevăzute în tachetul interior (1) și în cilindrul (6), se introduce ulei sub presiune. Uleiul acționează asupra pin-ului (3) care este împins în tachetul interior (7) și la rândul lui împinge pinul (4) în tachetul exterior (1). În acest mod cei doi tacheți devin solidari, iar supapele sunt deschise de camele cu înălțime mare.

Înălțimea de ridicare a camei cu profil mic este de 3.6 mm, iar cea a camei cu profil mare de 11 mm.

46

Calangiu Radu Gheorghe

Fig. 38. Motor cu 6 cilindri opuși (boxer) cu sistem de distribuție variabilă VarioCam Plus La turația de relanti sunt activate camele cu înălțime de ridicare mică. De asemenea, fazele de deschidere și închidere a supapelor sunt setate astfel încât perioada de suprapunere cu ambele supape deschise ,admisie și evacuare, să fie minimă. Datorită profilului redus al camei, se minimizează frecările mecanice, consumul de combustibil și emisiile fiind mai mici cu aproximativ 10%. La sarcini parțiale se păstrează activate camele cu înălțime de ridicare mică. Fazele de deschidere și închidere a supapelor sunt setate astfel încât perioada de suprapunere cu ambele supape deschise ,admisie și evacuare, să fie maximă. Astfel motorul funcționează cu recircularea internă a gazelor de evacuare. Acest mod permite reducerea pierderilor prin pompaj și implicit reducerea consumului de combustibil. La sarcini mari se utilizează camele cu înălțime de ridicare mare, iar defazarea timpilor de deschidere/închidere a supapelor este controlată, astfel încât, să se obțină performanțele dinamice superioare. Sistemul de distribuție VarioCam Plus permite reducerea consumului de combustibil și a emisiilor la sarcini mici și parțiale precum și performanțe dinamice remarcabile la sarcini mari ale motorului.

47

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă 5.4. Arborele cotit trebuie să aibă frecări minimale

Din punct de vedere mecanic, arborele cotit este cea mai solicitată piesă a motorului, deoarece, prin intermediul pistonului și a bielei preia forțele datorate presiunii din cilindru. Arborele cotit este piesa care preia forțele din bielă, însumează lucrurile mecanice produse în cilindri și transmite energia rezultată către roți prin intermediul transmisiei. De asemenea arborele cotit antrenează unele sisteme auxiliare ale motorului (distribuția, pompa de ulei, pompa de apă, compresorul, alternatorul, etc.). Arborele cotit sau principal este poziționat în interiorul motorului, fixat de blocul motor prin fusurile paliere.

Fig. 39. Secțiune printr-un motor cu ardere internă Piesele principale ale unui motor cu ardere internă: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

48

chiulasă capac de chiulasă arbore cu came lanț de distribuție arbore cotit bielă piston sorb ulei bloc motor

Calangiu Radu Gheorghe Elementele ce compun un arbore cotit pentru motor sunt:    

1-fusurile paliere (prin acestea arborele se sprijină pe blocul motor, în lagăre) 3-fusurile manetoane (pe acestea sunt prinse bielele) 4-brațele (realizează legătura dintre fusurile paliere și manetoane, conțin adesea și contragreutăți de echilibrare) 2-capetele (pe unul se montează volantă iar pe celălalt mecanismul de roti dințate pentru antrenarea distribuției)

Volanta asigură regularitatea mișcării de rotație a arborelui cotit, pentru fiecare ciclu motor. Deoarece cuplul motor nu este continuu, el este produs doar pe cursa de destindere pentru fiecare cilindru, se impune utilizarea unei volante.

Fig. 40. Flanșa de conectare cu volanta a arborelui cotit

Pentru motoarele în V, pe același maneton se prind câte două biele. În figură se poate observa arborele cotit al motorului de Lexus LFA cu 10 cilindri în V, pe care se pot distinge 6 fusuri paliere și 5 fusuri manetoane.

49

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Fig. 41. Arborele cotit pentru un motor cu 10 cilindrii în V (Lexus LFA )

1, 2, 3, 4, 5, 6 – fusuri paliere a, b, c, d, e – fusuri manetoane

Pentru a reduce frecarea în timpul mișcării de rotație, arborele cotit se montează pe cuzineți în lagărele blocului motor. Frecarea dintre cuzineți și arborele cotit este umedă, cu ulei sub presiune, presiunea fiind asigurata de pompa de ulei. Uleiul circula la fusurile manetoane și paliere prin intermediul unor canale prevazute în arbore. Pentru a echilibra arborele cotit în timpul mișcării de rotație brațele pot fi prevăzute cu contragreutăți. Calibrarea acestor contragreutăți se face prin găurire, cu diametre și adâncimi diferite. Forma arborelui cotit, respectiv numărul fusurilor paliere și cel al fusurilor manetoane, sunt condiționate de numărul și poziția cilindrilor, de ordinea de aprindere și de echilibrarea dinamică a forțelor de inerție ce apar în timpul rotației. Arborele cotit se obține de obicei din oțel-carbon de înaltă calitate sau în funcție de solicitările la care este supus, din oțel aliat cu crom și nichel sau cu molibden și vanadiu. Arborele cotit fiind piesă în mișcare are nevoie de ungere cu ulei pe secțiunile în contact cu alte piese. Astfel fusurile paliere și manetoane sunt prevăzute cu găuri, canale prin care circulă ulei sub presiune.

50

Calangiu Radu Gheorghe

Fig. 42. Exemple de arbori cotiți

Circuitul de ungere cu ulei din interiorul arborelui cotit 1. găuri de ungere prevazute în fusul palier 2. găuri de echilibrare prevazute în contragreutăți 3. găuri de ungere prevazute în fusurile manetoane Arborii cotiți sunt fabricați prin turnare sau prin strunjire pe mașini cu comandă numerică.

51

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă 5.5. Sistemul modern de ungere cu ulei al motorului

Motoarele termice pentru automobile produc lucru mecanic cu ajutorul unui mecanism motor. Componentele acestui mecanism sunt metalice, mișcarea relativă dintre ele realizânduse prin frecare. Pentru a reduce forța de frecare dintre piesele în mișcare ale motorului, pe suprafața de contact dintre acestea se creează o peliculă de ulei. Pe lângă rolul de lubrifiant, uleiul contribuie și la evacuarea căldurii rezultate în timpul arderii și a frecării. Uleiul realizează ungerea, etanșarea și răcirea motorului și a pieselor acestuia aflate ȋn mișcare. Un sistem de ungere bine realizat poate conduce la realizarea unor randamente mecanice și termice mai ridicate.

Fig. 43. Sistemul/circuitul de ungere cu ulei (motor Vortec 8V 5.3L)

52

Calangiu Radu Gheorghe Rolul unui sistem de ungere cu ulei al unui motor termic este multiplu, acesta trebuie să asigure:    

ungerea pieselor în mișcare relativă pentru reducerea frecărilor (scăderea uzurii și îmbunătățirea randamentului mecanic) preluarea parțială a căldurii rezultate în urma arderii și a frecării curățarea suprafețelor în mișcare de particule metalice și eventuale reziduuri protecția suprafețelor metalice împotriva coroziunii

Fig. 44. Circuitul de ungere cu ulei al unui motor cu cilindri în V

53

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Sistemul de ungere cu ulei al unui motor termic cuprinde cel puțin următoarele componente:     

rezervor de ulei pompă de ulei filtrul de ulei conducte

În funcție de timpul motorului, sistemul de ungere poate să conțină și:  radiator de ulei  injectoare de ulei

Fig. 45. Circuitul și componentele sistemului de ungere cu ulei al unui motor termic 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 54

sorb ulei pompă de ulei orificiu ungere pompă de vacuum arbore de echilibrare orificiu ungere lanț de distribuție injector de ulei orificiu alimentare întinzător lanț distribuție

Calangiu Radu Gheorghe 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

arbore cu came arbore cu came turbocompresor radiator ulei filtru ulei canal de curgere ulei în blocul motor arbore de echilibrare baie de ulei (rezervor ulei)

Pompa de ulei (2) aspiră ulei din baia de ulei (15), prin intermediul sorbului (1). Sorbul este prevăzut cu o sită metalică pentru a preveni pătrunderea impurităților în pompă. Pompa comprimă uleiul și-l trimite către fusurile arborelui cotit, arborelui cu came (8, 9), arborilor de echilibrare (4, 14) și către filtrul de ulei (12). La ieșirea sau intrarea în filtru circuitul poate fi prevăzut cu un radiator (11) care are rolul de a răci uleiul. Mai departe, prin canale prevăzute în blocul motor și chiulasă, sau prin conducte, uleiul ajunge să lubrifieze: lagărele turbocompresorului, a pompei de vacuum, lanțul și celelalte componente ale sistemului de distribuție.

Fig. 46. Arbore cotit prevăzut cu orificii în fusuri pentru circuitul uleiului (motor Ecotec 4L 2.0L)

55

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă Injectoarele de ulei (6) sunt prevăzute în interiorul blocului motor și injectează ulei în piston, în partea dinspre carter. Prin acest procedeu uleiul evacuează o parte din căldura absorbită de piston în timpul procesului de ardere. Ungerea cilindrilor motorului se face prin stropire, surplusul de ulei fiind evacuat de către segmentul raclor al pistonului.

Fig. 47. Injector de ulei pentru răcirea pistonului (motor Ecotec 4L 2.0L)

Radiatorul de ulei (11), de cele mai multe ori, transferă căldura la aerul din compartimentul motor. Pentru o răcire mai eficientă sunt utilizate și radiatoare care utilizează lichidul de răcire al motorului pentru a transfera căldura preluată de ulei.

Fig. 48. Radiator răcire ulei motor 8V 6.2L

56

Calangiu Radu Gheorghe Pompa de ulei (2) asigură presiunea necesară în circuit pentru ungerea tuturor componentelor. Antrenarea pompei se poate face de la arborele cotit sau de la arborele cu came. Cele mai răspândite pompe sunt cele cu cilindree constantă, cu roți dințate, cu angrenare interioară sau exterioară. Mai nou se folosesc și pompe cu palete cu cilindree variabilă la care presiunea de lucru depinde de punctul de funcționare al motorului (1.6 dCi Renault).

Fig. 49. Ansamblu pompă de ulei

Debitul pompei, la turația de ralanti, trebuie să fie suficient de mare ca să asigure presiunea minimă a uleiului. Presiunea produsă de pompa de ulei variază între 1.5-2 bari la ralanti și poate ajunge până la 4-5 bari la turația maximă a motorului.

57

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Fig. 50. Pompă de ulei cu roți dințate cu angrenare interioară (motor Northstar, 8V, 4.4L)

Pompele de ulei sunt prevăzute cu o supapă de limitare a presiunii. La temperaturi scăzute, vâscozitatea uleiului crește, presiunea uleiului de asemenea, ceea ce poate cauza defectarea pompei. Din acest motiv în corpul pompei este prevăzută o supapă de descărcare pentru a limita presiunea maximă generată de pompă.

Fig. 51. Pompă de ulei cu roți dințate cu angrenare interioară

58

Calangiu Radu Gheorghe

Filtrul de ulei (12) are rolul de a reține impuritățile din ulei. Acestea pot fi de natură metalică, desprinse de pe piesele în mișcare sau depuneri rezultate în urma procesului de ardere. Elementul de filtrare este pe bază de hârtie și trebuie să rețină particule de dimensiuni de câteva sutimi de milimetru.

Fig. 52. Filtru de ulei

Uleiul intră în filtru prin orificiile radiale, este forțat prin elementul filtrant și apoi evacuat prin orificiul central al filtrului. Pentru a preveni creșterea presiunii uleiului din filtru, în cazul în care filtrul este încărcat cu impurități, acesta conține o supapă de siguranță care se deschide și permite uleiului să iasă direct din filtru fără a mai fi filtrat.

59

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă

Fig. 53. Circuitul uleiului prin filtru 1. supapă de limitare a presiunii Baia de ulei (15), numită și carter inferior, este rezervorul de ulei. Pe lângă rolul de rezervor, baia mai are rolul de a răci uleiul. Dacă răcirea naturală a uleiului în baie nu este suficientă, circuitul de ungere mai este prevăzut și cu un radiator.

Fig. 54. Baie de ulei (motor 8V, 7.0L)

60

Calangiu Radu Gheorghe

Forma băii de ulei trebuie să asigure imersarea completă a sorbului în ulei, indiferent de poziția normală a automobilului. În caz contrar sorbul poate aspira aer, iar ungerea pieselor în mișcare va fi deficitară ceea ce va conduce la uzuri accentuate sau chiar la topirea pieselor datorită frecărilor foarte mari. Circuitul de ulei este prevăzut cu un manocontact (presostat) de ulei. Acesta este de fapt un senzor care indică o presiune insuficientă de ulei. În cazul în care presiune uleiului scade sub o limită minimă, manocontactul va aprinde în bordul automobilului martorul de presiune scăzută ulei.

Fig. 55. Martor bord presiune scăzută ulei Singurul element din sistemul de ungere cu ulei care necesită întreținere este filtrul de ulei. Acesta, proporțional cu numărul kilometrilor parcurși de automobil, se umple de impurități și necesită înlocuirea sa. În caz contrar se poate bloca, iar supapa de descărcare va permite trecerea uleiului fără a fi filtrat. Efectele sunt pătrunderea impurităților în pompă și pe suprafețele pieselor în mișcare, ceea ce va conduce la o uzură accentuată a acestora sau chiar la defectare. Un filtru de ulei vechi sau ulei neschimbat, produc uzura mult accelerată a motorului și chiar distrugerea lui, ca să nu mai vorbim de pierderile uriașe de putere. Randamentul unui ,motor uns necorespunzator se poate chiar ȋnjumătăți.

61

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă 5.6. Comparație parametrică - Diesel vs Benzină

Motoarele cu ardere internă, diesel sau benzină, posedă anumite caracteristici care influențează funcționarea mecanismului motor. Principalele caracteristici funcționale sunt: capacitatea cilindrică (se mai numește și cilindree), raportul de comprimare, viteza de rotație a arborelui cotit, puterea efectivă a motorului, cuplul motor și presiunea medie efectivă.

Fig. 56. Parametrii dimensionali ai unui cilindru de motor termic Principalii parametri dimensionali ce caracterizează un motor cu ardere internă sunt: cursa pistonului și alezajul cilindrului. Acești parametri definesc cilindreea motorului. s.a – supapa de admisie s.e – supapa de evacuare b/i – bujie/injector PMI – punctul mort interior PME – punctul mort exterior Vc – volumul camerei de ardere Vs – cilindreea unitară h – înălțimea camerei de ardere S – cursa pistonului D – diametrul (alezajul) cilindrului

Capacitatea cilindrică unitară (cilindreea unitară) reprezintă volumul cilindrului cuprins între PMI și PME, fiind volumul în care se deplasează pistonul. Capacitatea cilindrică unitară se calculează cu relația:

Este evident faptul că, capacitatea cilindrică unitară este direct proporțională cu diametrul cilindrului și cursa pistonului. Astfel, pentru a crește cilindreea unui motor se mărește diametrul cilindrului sau cursa pistonului. Capacitatea cilindrică totală a motorului este dată de produsul dintre capacitatea cilindrică unitară și numărul de cilindri: numărul de cilindri ai motorului.

62

unde i este

Calangiu Radu Gheorghe După cum am spus, volumul maxim ocupat de fluidul motor, când pistonul se află la PME se numește volumul cilindrului (Va), iar volumul minim ocupat de gaze când pistonul se află la PMI se numește volumul camerei de ardere (Vc).

Camera de ardere de obicei nu are forma cilindrică ci are o geometrie mai complexă, fiind condiționată de dispunerea supapelor, a bujiei sau a injectorului. Din acest motiv exprimarea printr-o formula matematică devine mai complicată și nu va fi detaliată în această lucrare. Raportul dintre volumul Va și volumul Vc se numește raport de comprimare și, de obicei, se notează cu litera grecească ε (epsilon): Raportul de comprimare este un indicator de calitate privind pregătirea amestecului combustibil în vederea obținerii unei arderi cât mai eficiente. Creșterea raportului de comprimare are ca rezultate creșterea presiunii medii în cilindru și implicit creșterea puterii, a cuplului motor și reducerea consumului de combustibil. Dacă comparăm două motoare cu aceeași cilindree și regim de turații, motorul care are raportul de comprimare mai mare va dezvolta o putere mai mare la un consum mai mic. Viteza de rotație a arborelui cotit sau turația este o mărime ce depinde de mai mulți parametri constructivi, fizici ai motorului. Turații înalte se pot obține cu motoare care au piesele în mișcare de rotație, cu inerție mică, coeficienți de frecare mici și rezistențe mici la curgerea aerului în galeria de admisie. Puterea efectivă a motorului este des utilizată în cazul în care se dorește o caracterizare a performanțelor. Pentru a înțelege factorii care influențează evoluția puterii efective a unui motor ne vom folosi de puterea indicată a motorului, exprimată sub forma:

unde: pi - presiunea medie indicata (se măsoară în bar sau N/m2) nm - turația motorului (se măsoară în rot/min) τ - numărul de timpi ai ciclului motor Puterea efectivă a motorului (Pe) este produsul dintre puterea indicată (Pi) și randamentul motorului. Cu cât pierderile energetice din motor sunt mai mici cu atât puterea efectivă este mai mare:

unde ηm este randamentul motorului. Expresia matematică a puterii indicate ne arată metodele care permit creșterea puterii unui motor termic și anume:

63

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă    

prin creșterea presiunii din cilindru mărirea cilindreei și a numărului de cilindrii creșterea regimului de turații micșorarea numărului de timpi ai unui ciclu motor Foarte des motoarele auto sunt caracterizate în principal de doi parametri: puterea și cuplul motor. Formula de calcul a puterii motorului arată clar că aceasta este proporțională cu cuplul motor și cu turația.

Pentru a vedea, din punct de vedere al caracteristicilor funcționale, diferențele dintre un motor pe benzină și unul diesel vom examina următorul tabel: Parametrii \ Motor

Benzină

Diesel

Cilindree [cm3]

1997

1870

Număr cilindrii

4

4

Alezaj x Cursa [mm]

84.0 x 90.1 80.0 x 93.0

Număr total supape

16

16

Raport comprimare

10.02

16.60

Putere maxima [CP]

138

129

Turație de Pmax [rot/min] 6000

3750

Cuplu maxim [Nm]

300

195

Turație de Cmax [rot/min] 3750

1750

pme [bar]

12.27

20.16

Admisie aer

atmosferic turbo supraalimentat

64

Calangiu Radu Gheorghe

6.

Concluzii

Randamentul total al unui motor termic cu ardere internă, randamentul mecanic cu frecări ȋnmulțit și cu cel termic al ciclului Carnot, a crescut treptat, ȋn ultimii 150 ani de la apariția sa , de la 12-19% ajungȃnd azi la circa 30-50% și mai rar chiar 60% la motoarele ȋn doi timpi sau la cele clasice ȋn patru timpi ȋn V. Pe parcursul acestei lucrări s-au scos ȋn evidență metodele moderne prin care a mai putut fi ȋncă sporit randamentul, ȋn special cel mecanic al motoarelor termice cu ardere internă. Orice metodă care aduce un plus la randamentul lor este bine venită. Se lucrează ȋn general la mecanismul motor principal, la cel secundar cu came, tacheți și supape, dar așa cum s-a observat și la cele anexe, cum ar fi cel de ungere. Un motor normal ȋn patru timpi funcționează ȋn general cu randamente medii de circa 30-32%. Pentru aducerea randamentului la valoarea de 40% este necesară reciclarea căldurii care se pierde prin evacuarea gazelor arse. Prin metode speciale de reciclare, utilizȃnd motoare ȋn V și, sau ȋn doi timpi, s-ar putea atinge randamente de circa 50%.

Din datele prezentate în tabelul anterior putem observa ce parametri caracterizează un motor pe benzină, respectiv unul diesel. Astfel, un motor diesel are un raport de comprimare mai mare, presiunea în cilindru mai mare deci și cuplu mai mare. În schimb regimurile de turații sunt mai mici. Motorul pe benzină are putere mai mare datorită regimului mai înalt de turații, dar un cuplu mai mic datorat presiunii medii din cilindru mai scăzute. Cum randamentul unui motor poate fi sporit fie prin creșterea turației maxime și medii, fie prin creșterea raportului de comprimare, realizarea unui motor care să aibă crescute și turațiile de lucru și raportul de comprimare va realiza randamente termice, dar și mecanice superioare. Un prim pas pentru realizarea acestui deziderat l-a constituit chiar trecerea la motorul pe benzină cu injecție care ȋși păstrează turațiile de lucru ridicate și realizează și un raport de comprimare mai mare asemeni motoarelor diesel. O creștere mai mare a randamentului motoarelor termice cu ardere internă ar putea fi posibilă, eventual, doar prin ridicarea turației de lucru la valori foarte mari. Se ȋncearcă și ridicarea turației de lucru a motorului de tip Otto cu injecție de combustibil la valori mult superioare. În acest scop s-au realizat mecanisme de distribuție speciale, superioare care să poată să lucreze și la turații ridicate fără clasicele mecanisme de distribuție care la 10000 de ture pe min. vibrau extrem și clacau. Motorul termic cu ardere internă este realizat compact, la scară redusă, astfel ȋncȃt, prin reducerea dimensiunilor sale toate vitezele și accelerațiile pieselor aflate ȋn mișcare să scadă, și odată cu ele și forțele inerțiale și reacțiunile din cuple pentru a compensa ȋn acest mod creșterile accelerațiilor și forțelor inerțiale datorate ridicării 65

Studiul randamentelor motoarelor termice cu ardere internă vitezelor unghiulare ca urmare a turațiilor de lucru extrem de mari. Puterile obținute de un astfel de motor compact și superturat vor fi cel puțin echivalente cu cele generate de motoarele cu gabarite mari și turații de lucru normale, dar consumul de combustibil realizat de noul motor cu gabarit mai redus va fi și el mai redus. Se speră astfel realizarea unor randamente mecanice și termice mult superioare care pe o cale normală nu ar fi putut fi obținute .Putem vorbi aici chiar de trecerea anumitor limitebariere clasice. În scopul realizării noilor motoare, compacte și superturate (a nu se confunda cu supraturarea și sau supraalimentarea unui motor; acum discutăm de turații extrem de ridicate) se vor utiliza materiale speciale ,rezistente la presiuni foarte ridicate, ungeri speciale, piese și componente speciale și cu funcții suplimentare și, eventual combustibili speciali .Se știe că ardera la turații mult mai mari va trebui să se producă integral ȋntr-un timp mult mai scurt, fapt ce se poate realiza spre exemplu prin utilizarea hidrogenului, care arde de circa zece ori mai repede decȃt combustibilii clasici cunoscuți și ȋn plus nu produce poluare aproape deloc, se poate extrage relativ ușor din apă, prin disocierea ei ȋn hidrogen și oxigen, și prin ardere combustibilul hidrogen va produce la loc apă, regenerȃnd-o ȋn acest mod) [12]. Iată ce rezervă uriașă ne păstrează apa planetei și hidrogenul conținut ȋn ea! Ȋn acest mod motoarele cu ardere internă vor renaște și ele.

66

Calangiu Radu Gheorghe

BIBLIOGRAFIE

[1] Angelas, J., Lopez-Cajun, C., Optimal synthesis of cam mechanisms with oscillating flat-face followers. Mechanism and Machine Theory 23,(1988), Nr. 1., p. 1-6., 1988. [2] Antonescu, P., Petrescu, F., Antonescu, O., Contributions to the Synthesis of The Rotary Disc-Cam Profile, In VIII-th International Conference on the Theory of Machines and Mechanisms, Liberec, Czech Republic, p. 51-56, 2000. [3] Encyclopedia Britannica, Internal Combustion engines. Net. [4] Comănescu, Adr., Comănescu, D., Georgescu, L., Bazele analizei şi sintezei mecanismelor cu memorie rigidă, Edit. Politehnica Press, Bucureşti, 175 pag., 2008. [5] Bernard Feldman, The hybrid automobile and the Atkinson Cycle. In The Physics Teacher, October, 2008, Volume 46, Issue 7, p. 420-422. [6] GRUNWALD B., Teoria, calculul şi construcţia motoarelor pentru autovehicule rutiere. Editura didacticã şi pedagogică, Bucureşti, 1980. [7] Leet, J.A., S. Simescu, K. Froelund, L.G. Dodge, and C.E. Roberts Jr., Emissions Solutions for 2007 and 2010 Heavy-Duty Diesel Engines. Presented at the SAE World Congress and Exhibition, Detroit, Michigan, March 2004. SAE Paper No. 2004-01-0124 , 2004. [8] Moise, V., Simionescu, I., Ene, M., Neacșa, M., Tabără, I., Analiza mecanismelor aplicate, Editura Printech, ISBN 978-973-718-891-5, Bucureşti, 216 pag., 2008. [9] Pelecudi, Chr., Simionescu, I., Ene, M., Candrea, A., Stoenescu, M., Moise, V., Mecanisme cu cuple superioare: came si roti. I.P.B., Bucuresti, 1982. [10] Ocnărescu, C., Teoria mecanismelor, Editura Bren, ISBN 973-648-090-9, 2002, 184 p. [11] Petrescu, F.I., Petrescu, R.V., Camshaft Precision, Create Space publisher, USA, November 2012, ISBN 978-1-4810-8316-4, 88 pages, English edition. [12] Petrescu, F.I., Petrescu, R.V., Motoare termice, Create Space publisher, USA, October 2012, ISBN 978-1-4802-0488-1, 164 pages, Romanian edition. [13] Taraza, D., "Accuracy Limits of IMEP Determination from Crankshaft Speed Measurements," SAE Transactions, Journal of Engines 111, p. 689-697, 2002. [14] e-automobile.ro [15] Wikipedia, the free encyclopedia, History of the automobile. Net.

67