۞Motor diesel۞

Motorul diesel este un motor cu ardere internă în care combustibilul se aprinde datorită temperaturii ridicate create de comprimarea aerului necesar arderii, şi nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, aşa cum ar fi bujia în cazul motorului cu aprindere prin scânteie.

Motorul lucrează pe baza ciclului Diesel.

Scurtă cronologie

* 1862 - Nicolaus Otto dezvoltă motorul pe bază de gaz de cărbune, similar unui motor pe benzină modern.
* 1891 - Herbert Akroyd-Stuart îmbunatăţeşte motorul său pe bază de ulei şi cedează drepturile către Hornsby din Anglia pentru construcţia motoarelor. Aceştia au construit primul motor cu aprindere prin comprimare cu start rece.
* 1892 - Motorul Hornsby cu numărul 101 este construit şi instalat într-o casă de apă. Acesta se află în muzeul camioanelor MAN din nordul Angliei.
* 1892 - Rudolf Diesel dezvoltă versiunea sa de motor având la bază principiile motorului Carnot alimentat cu praf de carbune. În data de 10 august 1893 în Maschinenfabrik Augsburg porneşte pentru prima dată motorul inventat de el. Aprinderea carburantului în cilindru produsese o bubuitură atât de puternică, incât a spart nişte geamuri şi aparate de măsurat, motorul însă rămânând intact. A mai durat însă încă patru ani, pînă motorul a funcţionat. El avea o putere de 20 CP.[1] El este angajat de Carl von Linde, apoi de producătorul de fier MAN AG din München şi mai tărziu de Sulzer, companie de motoare din Elveţia. Diesel împrumută idei de la fiecare şi lasă o moştenire bogată firmelor.
* 1892 - John Froelich construieşte un tractor cu motor având ddrept combustibil petrolul.
* 1894 - Witte, Reid, and Fairbanks încep construcţia de motoare pe bază de petrol cu diverse sisteme de aprindere.
* 1896 - Hornsby construieşte tractoare cu motor diesel şi motoare pentru locomotive.
* 1897 - Winton produce şi conduce primul automobil pe benzină din Statele Unite; mai târziu construieşte fabrici de motoare diesel.
* 1897 - Mirrlees, Watson & Yaryan construiesc primul motor diesel englez cu licenţă Rudolf Diesel. Acesta este expus în Science Museum din South Kensington, Londra.

Cum funcţionează motorul diesel

Comprimarea unui gaz conduce la creşterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul în motoarele diesel. Aerul este aspirat în cilindri şi este comprimat de către piston până la un raport de 25:1, mai ridicat decât cel al motoarelor cu aprindere prin scânteie. Spre sfârşitul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizată în camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja încălzit prin compresie până la o temperatura de circa 700-900 °C. Arderea combustibilului duce la creşterea temperaturii şi presiunii, care acţionează pistonul. În continuare, ca la motoarele obişnuite, biela transmite forţa pistonului către arborele cotit, transformând mişcarea liniară în mişcare de rotaţie. Aspirarea aerului în cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mărirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mări cantitatea de aer introdusă în cilindri. Folosirea unui răcitor intermediar pentru aerul introdus în cilindri creşte densitatea aerului şi conduce la un randament mai bun.

În timpul iernii, când afară este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalică masivă a blocului motor {format din cilindri şi chiulasă) absoarbe o mare parte din căldura produsă prin comprimare, reducând temperatura şi împiedicând aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de încălzire, de exemplu bujii cu incandescenţă, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistenţe electrice dispuse în galeria de admisie, pentru a încălzi aerul. Sunt folosite şi rezistenţe electrice montate în blocul motor, tot pentru a uşura pornirea şi a micşora uzura. Motorina are un grad mare de vîscozitate, mai ales la temperaturi scăzute, ducând la formarea de cristale în combustibil, în special în filtre, împiedicând astfel alimentarea corectă a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care să încălzească motorina, mai ales în zona rezervorului şi a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecţie al multor motoare trimite înapoi în rezervor motorina deja încălzită, care nu a fost injectată, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. În prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat şi această problemă.

O componentă vitală a motoarelor diesel este regulatorul de turaţie, mecanic sau electronic, care reglează turaţia motorului prin dozarea corectă a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie (Otto), cantitatea de aer aspirată nu este controlată, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme în funcţie de sarcină şi viteză. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comandă injecţia de combustibil şi limitează turaţia motorului prin intermediul unei unităţi centrale de control care primeşte permanent semnale de la senzori, dozând corect cantitatea de motorină injectată.

Controlul precis al timpilor de injecţie este secretul reducerii consumului şi al emisiilor poluante. Timpii de injecţie sunt măsuraţi în unghiuri de rotaţie ai arborelui cotit înainte de punctul mort superior. De exemplu, dacă unitatea centrală de control iniţiază injecţia cu 10 grade înainte de punctul mort superior, vorbim despre un avans la injecţie de 10 grade. Avansul la injecţie optim este dat de construcţia, turaţia şi sarcina motorului respectiv.

Avansând momentul injecţiei (injecţia are loc înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort interior) arderea este completă, la presiune şi temperatură mare, dar cresc şi emisiile de oxizi de azot. La cealalată extremă, o injecţie întârziată conduce la ardere incompletă şi emisii vizibile de particule de fum.

Injecţia combustibilului la motoarele diesel

Primele sisteme de injecţie


Motorul diesel modern este o îmbinare a creaţiilor a doi inventatori. În mare, rămâne fidel conceptului original al lui Rudolf Diesel, adică combustibilul este aprins prin comprimarea aerului din cilindru. Însă, aproape toate motoarele diesel de azi folosesc aşa-numitul sistem de injecţie solidă, inventat de Herbert Akroyd Stuart, pentru motorul său cu cap incandescent (un motor cu aprindere prin comprimare care precedase motorul diesel, dar funcţionează oarecum diferit). În cazul injecţiei solide, combustibilul este adus la o presiune extremă cu ajutorul unor pompe şi introdus în camera de ardere prin intermediul unor injectoare şi a aerului comprimat, într-o stare aproape solidă. La început, combustibilul era injectat în motorul diesel cu ajutorul aerului comprimat care îl pulveriza în cilindru. Mărimea compresorului de aer era atât de mare, încât primele motoare diesel erau foarte grele şi voluminoase în raport cu puterea produsă, mai ales datorită antrenării unor astfel de compresoare. Primele motoare montate pe nave aveau un motor auxiliar dedicat antrenării compresorului de injecţie. Sistemul era prea mare şi greoi pentru a fi folosit în industria auto.


Injecţia controlată mecanic şi electronic

Motoarele din vechile generaţii utilizau o pompă mecanică şi un mecanism cu supape antrenate de arborele cotit, de obicei prin intermediul unui lanţ sau curea dinţată. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supapă şi arc, care se deschideau/închideau la o anumită presiune a combustibilului. Pompa consta dintr-un cilindru care comprima motorina şi o supapă sub formă de disc care se rotea la jumătate din turaţia arborelui cotit. Supapa avea o singură deschidere pe o parte, pentru combustibilul sub presiune şi o alta pentru fiecare injector. Pe măsură ce se rotea, discul supapei distribuia fiecărui injector o cantitate precisă de combustibil la mare presiune. Supapa injectorului era acţionată de presiunea motorinei injectate atât timp cât discul debita combustibil cilindrului respectiv. Regimul motorului era controlat de un al treilea disc care se rotea doar câteva grade şi era acţionat de o pârghie. Acest disc controla deschiderea prin care trecea combustibilul, dozînd astfel cantitatea de motorină injectată.

Vechile motoare diesel puteau fi pornite, din greşeală, şi în sens invers, deşi funcţionau ineficient datorită ordinii de aprindere dereglate. Aceasta era de obicei consecinţa pornirii maşinii într-o treaptă de viteză greşită.

Motoarele moderne au o pompă de injecţie care asigură presiunea necesară injecţiei. Fiecare injector este acţionat electromagnetic prin intermediul unei unităţi centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injecţiei în funcţie de turaţie şi sarcină, având ca rezultat performanţe mărite şi un consum scăzut. Soluţia tehnică mai simplă a ansamblului pompă-injector a condus la construcţia de motoare mai fiabile şi mai silenţioase.

Injecţia indirectă

În cazul motorului diesel cu injecţie indirectă, motorina nu este injectată direct în camera de ardere, ci într-o antecameră unde arderea este iniţiată şi se extinde apoi în camera de ardere principală, antrenată de turbulenţa creată. Sistemul permite o funcţionare liniştită, şi, deoarece arderea este favorizată de turbulenţă, presiunea de injecţie poate fi mai scăzută, deci sunt permise viteze de rotaţie mari (până la 4000 rpm), mult mai potrivite autoturismelor. Antecamera avea dezavantajul pierderilor mari de căldură, ce trebuiau suportate de către sistemul de răcire şi a unei eficienţe scăzute a arderii, cu până la 5-10% mai scăzută faţă de motoarele cu injecţie directă. Aproape toate motoarele trebuiau să aibă un sistem de pornire la rece, ca de exemplu bujii incandescente. Motoarele cu injecţie indirectă au fost folosite pe scară mare în industria auto şi navală începând din anii timpurii 1950 până în anii 1980, când injecţia directă a progresat semnificativ. Motoarele cu injecţie indirectă sunt mai ieftine şi mai uşor de construit pentru domeniile de activitate unde emisiile poluante nu sunt o prioritate. Chiar şi în cazul noilor sisteme de injecţie controlate electronic, motoarele cu injecţie indirectă sunt încet înlocuite de cele dotate cu injecţie directă, care sunt mult mai eficiente.

În perioada de dezvoltare a motoarelor diesel din anii 1930, diferiţi constructori au pus la punct propriile tipuri de antecamere de ardere. Unii constructori, precum Mercedes-Benz, aveau forme complexe. Alţii, precum Lanova, utilizau un sistem mecanic de modificare a formei antecamerei, în funcţie de condiţiile de funcţionare. Însă, cea mai folosită metodă a fost cea în formă de spirală, concepută de Harry Ricardo ce folosea un design special pentru a crea turbulenţe. Majoritatea producătorilor europeni au folosit acest tip de antecamere sau şi-au dezvoltat propriile modele (Mercedes Benz şi-a menţinut propriul design mulţi ani).


Injecţia directă cu pompă-distribuitor

Primele motoare diesel cu injecţie directă au folosit o pompă de injecţie rotativă, cu injectoarele montate în partea superioara a camerei de ardere şi nu într-o antecameră. Exemple de vehicule dotate cu astfel de motoare sunt Ford Transit sau Rover Maestro, având ambele motoare fabricate de Perkins. Problema acestor motoare era zgomotul excesiv şi emisiile de fum. Din această cauză aceste motoare au fost la început montate doar pe vehicule comerciale – excepţia notabilă fiind autoturismul Fiat Croma. Consumul era cu 15 - 20 % mai scăzut decât la un motor diesel cu injecţie indirectă, îndeajuns să compenseze, pentru unii, zgomotul produs.

Primul motor cu injecţie directă de mică capacitate, produs în serie a fost conceput de grupul Rover. Motorul cu 4 cilindri, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din 1989, având chiulasa din aluminiu, injecţie Bosch în 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire uşoară şi un mers lin şi economic.

Controlul electronic al pompei de injecţie a transformat radical acest tip de motor. Pionierul a fost grupul Volkswagen-Audi cu modelul Audi 100 TDI apărut în 1989. Presiunea de injecţie era de circa 300 bar, dar momentul injecţiei, cantitatea de motorină injectată şi turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot şi emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat şi la vehiculele de masă precum Golf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice şi mai puternice decât competitorii pe injecţie indirectă.


Motoarele diesel timpurii

Intenţia lui Rudolph Diesel a fost aceea de a înlocui motorul cu abur ca sursă primară de energie pentru industrie. Motoarele diesel de la sfârşitul secolului XIX şi începutul secolului XX foloseau aceeaşi formă şi dispunere ca motoarele cu abur industriale: cilindri cu cursă mare, fără carter, supape exterioare, chiulase pentru fiecare cilindru şi arbore cotit cuplat la un volant enorm. Curând, vor apărea motoare mai mici, cu cilindri verticali, în timp ce majoritatea motoarelor industriale de mărime mare şi medie aveau tot cilindri orizontali, şi întocmai ca motoarele cu abur, aveau mai mulţi cilindri. Cele mai mari motoare diesel timpurii erau replici ale celor cu abur, cu lungimi impresionante, de câţiva metri. Acestea funcţionau cu viteze foarte mici, în special datorită motorinei injectate cu ajutorul aerului comprimat, dar şi pentru că trebuiau să corespundă majorităţii utilajelor industriale construite pentru motoarele cu abur, unde vitezele normale de operare se încadrau între 100 şi 300 rpm. Motoarele erau pornite cu ajutorul aerului comprimat, care era introdus în cilindri şi rotea motorul, deşi cele mai mici puteau fi pornite şi manual.

În primele decenii ale secolului al XX-lea, când marile motoare diesel erau montate pe nave, acestea aveau forma motoarelor cu abur, pistonul împingea o tijă cuplată la o bielă ce rotea arborele motor. Urmând modelul motoarelor cu abur, s-au construit motoare cu dublă acţiune, unde arderea avea loc în ambele părţi ale pistonului pentru a mări puterea. Acestea aveau doua rânduri de supape şi două sisteme de injecţie. Sistemul permitea, de asemenea, modificarea sensului de rotaţie, prin modificarea timpilor de injecţie. Prin urmare, motorul putea fi cuplat direct la axul elicei, fără a mai fi nevoie de o cutie de viteze. Deşi aveau o putere mare şi erau foarte eficiente, marea problema motoarelor cu dublă acţiune era etanşietatea camerelor de ardere. În anii 1930 s-a descoperit că montarea turbocompresoarelor era o soluţie mai uşoară şi eficientă.


Motoarele diesel moderne

Motoarele diesel sau cu scânteie sunt în 2 timpi sau în 4 timpi. Majoritatea motoarelor sunt în 4 timpi, dar unele motoare mari funţionează în 2 timpi, de exemplu cele de pe nave. Majoritatea locomotivelor moderne folosesc motoare diesel în 2 timpi, cuplate la generatoare electrice ce acţionează motoare electrice, eliminând nevoia transmisiei. Pentru creşterea presiunii în cilindrii s-a folosit supraalimentarea, mai ales la motoarele diesel în doi timpi care au două curse utile per rotaţie a arborelui cotit.

În mod normal, cilindrii sunt multiplu de doi, dar se poate folosi orice număr de cilindri, atât timp cât sunt eliminate vibraţiile excesive. Cea mai folosită configuraţie este cea de 6 cilindri în linie, dar sunt folosiţi şi 8 cilindrii în V sau 4 în linie. Motoarele de mică capacitate (în special cele sub 5000 cmc) au de obicei 4 (majoritatea lor) sau 6 cilindri, fiind folosite la autoturisme. Există şi motoare cu 5 cilindri, un compromis între funcţionarea lină a unuia de 6 cilindrii şi dimensiunile reduse ale unuia de 4 cilindri. Motoarele diesel pentru întrebuinţări curente (bărci, generatoare, pompe) au 4, 3 şi 2 cilindri sau un singur cilindru pentru capacităţi mici.

În dorinţa de a îmbunătăţii raportul greutate/putere s-au adus inovaţii privind dispunerea cilindrilor pentru a obţine mai multă putere per cilindree. Cel mai cunoscut este motorul Napier Deltic, cu trei cilindri dispuşi sub formă de triunghi, fiecare cilindru având 2 pistoane cu acţiune opusă, întregul motor având 3 arbori cotiţi. Compania de camioane Commer din Marea Britanie a folosit un motor asemănător pentru vehiculele sale, proiectat de Tillings-Stevens, membru al Grupului Rootes, numit TS3. Motorul TS3 avea 3 cilindri în linie, dispuşi orizontal, fiecare cu 2 pistoane cu acţiune opusă concectate la arborele cotit printr-un mecanism de tip culbutor. Deşi ambele soluţii tehnice produceau o putere mare pentru cilindreea lor, motoarele erau complexe, scumpe de produs şi întreţinut, iar când tehnica supraalimentarii s-a îmbunătăţit în anii 1960, aceasta a devenit o soluţie alternativă pentru creşterea puterii.

Înainte de 1949, Sulzer a construit, experimental, motoare în doi timpi supraalimentate la 6 bar, presiune obţinută cu ajutorul unor turbine acţionate de gazele de evacuare.


Nocivitatea emisiilor


HC – hidrocarburi. Aceste substanţe nu au un efect direct asupra sănătăţii, cu excepţia hidrocarburilor policiclice aromate, despre care este stabilit caracterul lor cancerigen. S-a stabilit că aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de motoarele cu ardere internă au un rol important în formarea smogului fotochimic. Smogul fotochimic reprezintă o ceaţă, caracteristică unor regiuni geografice (California, Tokyo). Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine engleză smoke + fog şi este produs în atmosferă sub acţiunea razelor solare, în special datorită hidrocarburilor şi oxizilor de azot. Smogul este iritant pentru ochi şi mucoase, reduce mult vizibilitatea şi este un pericol pentru traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacţii chimice catalizate de prezenţa razelor solare. Aldehidele Substanţe organice prezente în gazele de evacuare în proporţie relativ scăzută pentru combustibili clasici de natură petrolieră, dar cu o pondere mult mai mare pentru combustibilii proveniţi din alcooli. Sunt substanţe iritante pentru organism, iar dintre acestea formaldehida are un important potenţial cancerigen. CO (oxidul de carbon) – are unefect toxic generat de fixarea hemoglobinei în sânge prin care se împiedică alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influenţă o are la persoanele cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecvenţă mult mai mare.

Oxizii de azot NO şi NO2 Oxizii de azot au efecte dăunătoare prin contribuţia adusă la formarea smogului, precum şi prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea hemoglobinei şi prin efecte mai ales la bolnavii pulmonari. De asenenea, oxizii de azot împreună cu oxizii de sulf contribuie la formarea ploilor acide. Particulele nemetalice Aceste particule, în special cele de funingine, sunt emise mai ales de motoarele diesel. Aceste particule pot fi inhalate în plămâni, unele din ele putând avea şi efect cancerigen. Efectul particulelor se poate manifesta şi asupra clădirilor. Particulele de plumb Acţiunea plumbului este foarte dăunătoare asupra omului şi este bine cunoscută încă din antichitate. Concentraţii scăzute de plumb provoacă tulburarea albuminelor şi glucidelor, atacă rinichii şi sistemele nervos şi central. Intoxicaţia cronică de Pb se numeşte saturnism şi provoacă colită, insuficienţă renală,etc. Plumbul se găseşte în combustibilii etilaţi pentru motoarele cu aprindere prin scânteie. Bioxidul de carbon este prezent în aerul atmosferic, iar la concentraţii de până la 3-4 la mie este util în procesul de fotosinteză. Aspectul îngrijorător al creşterii concentraţiei de bioxid de carbon este dat de apariţia efectului de seră (reducerea cantităţii de energie radiate de pământ către spaţiul cosmic, datotorită reţinerii căldurii în unele gaze). Acest efect de seră poate conduce la creşterea temperaturii medii la nivelul solului, iar motoarele cu ardere internă au o mare pondere în creşterea concentraţiei de dioxid de carbon.


Măsurarea produşilor poluanţi

La motoarele cu ardere internă măsurarea produşilor poluanţi se poate face în mai multe moduri:

* Concentraţia gazelor poluante în gazele de evacuare (exprimat în părţi pe milion ppm sau procentual)
* Concentraţia de emisie poluantă a unui motor care echipează un autovehicul raportat la unitatea de distanţă parcursă (g/km sau g-milă) pentru a determina mai exact efectul produs de autovehicolul respectiv.
* Pentru motoarele diesel staţionare de putere mare se poate utiliza o unitate de măsură raportată la energia produsă (g/(CPh) sau g/(kWh))

Legătura care există între cantitatea de emisii evacuată în atmosferă şi regimul de funcţionare al motorului a impus elaborarea unor norme de definire a ciclurilor funcţionale considerate reprezentative pentru condiţiile obişnuite de funcţionare. De asemenea sunt standardizate tehnica de măsurare experimentală, metodele de prelevare a probelor de gaz şi prelucrarea rezultatelor.

Cicluri standard de funcţionare. În Uniunea Europeană se aplică ciclul standard ECE + EUDC pentru autovehiculele şi autoutilitarele de până la 3,5 tone. Acest ciclu este definit prin variaţia vitezei vehiculului în intervalul de probă.