lucrare de disertaŢie - cornăţeanu (voicu) elena mădălina

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTI

FACULTATEA DE INGINERIA ŞI MANAGEMENTUL SISTEMELOR TEHNOLOGICE

DEPARTAMENTUL TEORIA MECANISMELOR ŞI A ROBOŢILOR

LUCRARE DE DISERTAŢIE

Contribuții la optimizarea motoarelor termice cu ardere

internă

Coordonator ştiinţific: Senior Lecturer Dr. Ing. Florian Ion T. Petrescu

Absolvent: Cornăţeanu (Voicu) Elena Mădălina

BUCUREŞTI

2013

Contributii la optimizarea motoarelor termice cu ardere interna

2

Cursa pentru hidrogen a început (cel mai sigur vor fi trecute pe hidrogen autobuzele, care oricum se alimentează în general din unul sau câteva puncte comune, din cadrul autogării, sau autobazei lor; ele au şi spaţiul necesar pentru montarea rezervoarelor de hidrogen).

Numai 2-3 km cubi de apă oceanică descompusă în hidrogen şi oxigen ar dona hidrogenul necesar nevoilor anuale mondiale de transport rutier. Ce ar reprezenta acest eventual consum mondial anual de 2-3 km3 din totalul de 1370000000 km3 aparţinând oceanului planetar? Trei km3 faţă de totalul planetar reprezintă 2*10-7 %. Acest procent total nesemnificativ de apă consumată anual s-ar reface chiar în anul respectiv prin faptul că prin ardere hidrogenul produce la loc apă. Ce să mai vorbim de calitatea aerului care nu ar mai fi umplut cu monoxid şi cu dioxid de carbon, de faptul că am putea să-i redăm planetei aerul curat, scuturile refăcute şi clima ei iniţială, blândă şi normală, de faptul că am putea respira din nou normal, noi, copiii şi nepoţii noştri.

Motorul termic cu ardere internă, care a dominat ultimii circa 150 ani, se extinde prin hibrizi care-l fac mai fiabil şi mai viabil, mai puternic, mai economic, mai puţin poluant, se extinde spuneam către motorul viitorului, termic cu ardere internă cu hidrogen!

În perspectiva imediată viitorul lui îl reprezintă scăderea consumului de combustibili utilizaţi (petrolieri), prin proiectarea tot mai modernă a motoarelor termice şi a sistemelor auxiliare, prin utilizarea biocombustibililor a căror necesitate a fost prevăzută de Diesel cu mulţi ani în urmă, dar şi prin construcţia unor soluţii hibride, despre care vom mai discuta mai târziu în cadrul acestei cărţi.

Ȋmbunătățirea continuă (permanentă) a motoarelor termice cu ardere internă a dus la obținerea de performanțe reale, astăzi motoarele de tip Otto avȃnd un aspect modern, care le diferențiază clar de cele inițiale, sau cele din perioada interbelică, ori chiar de motoarele secolului trecut.

Se crează noi tipuri de transmisii mecanice de putere, de la motor la roțile autovehiculului, dar se reproiectează și angrenajele legate direct de motor (anexe), cȃt și cele care lucrează in interiorul lui.

Injecția se face cu rampă comună, cu injectoare mari, și cu pompă de injecție de ȋnaltă presiune. Motorul este supraalimentat. Galeriile de admisie au diametre foarte mari.

Distribuția este proiectată ȋn capul chiulasei (modern), cu două supape pe cilindru (clasic), cu tije lungi care asigură o cursă lungă și totodată o deschidere mare a supapelor, cu arcuri tari și cu prestrȃngere mare a resorturilor (asiguȃnd astfel o evitare a vibrațiilor și a zgomotelor, și o funcționare lină a supapelor, fără șocuri), cu came rigide și rapide, dar care au și o staționare pe cercul de vȃrf pentru realizarea unui grad de umplere mai ridicat.

Deși uriaș și puternic, motorul modern este totuși compactizat, elementele sunt limitate strict, dimensiunile lor la fel, cu excepția galeriilor, a pistoanelor, a supapelor, a arcurilor, a arborelui de distribuție, și a injectoarelor. O cilindree mare asigurată nu clasic (prin cursă mare) ci modern (prin diametru foarte mare al pistonului), este coroborată cu o cameră de ardere simplă, compactă, realizȃnd astfel o compresie extrem de ridicată, pentru a putea realiza randamente ridicate și o ardere completă pe seama presiunilor foarte mari din cilindru, separat de factorii de umplere bună (galerii mari) și injecție modernă. Arborele motor este limitat constructiv ȋn lungime, avȃnd totodată o volantă mare (pentru o mai bună uniformizare a momentelor de inerție mecanice).

Principalele avantaje ale supraalimentarii sunt urmatoarele: - reducerea consumului de combustibil – comparativ cu un motor aspirat normal de aceeasi putere vom avea o reducere a consumului de combustibil deoarece se recupereaza energia gazelor de evacuare. Totodata motoarele turbo au o cilindree mai redusa comparativ cu cele aspirate normal de aceeasi putere ceea ce inseamna pierderi prin frecare mai reduse. - reducerea raportului putere/greutate motor – acest raport este superior celui care caracterizeaza motoarele aspirate natural. - puterea motorului nu este afectata de altitudine – odata cu cresterea altitudinii la motoarele aspirate natural puterea este afectata prin reducerea randamentului volumetric al umplerii. La motoarele turbo-supraalimentate refacerea puterii este posibila datorita modificarii regimului de lucru al turbinei.


3

C U P R I N S

1.Introducere...........................................................................................................................................4

2. Motoarele termice cu ardere internă .................................................................................................4

2.1. Situaţia actuală a motoarelor termice cu ardere internă .......................................................4

2.2. Apariția și dezvoltarea, motoarelor termice cu ardere internă cu supape, de tip Otto sau Diesel, strȃns legată de cea a automobilelor..................................................................................8

2.3. Discuție, analiza situației actuale, concluzii, perspective.......................................................16

2.4. Evoluția tehnică viitoare a motoarelor termice cu ardere internă........................................18

3. Optimizarea motoarelor termice cu ardere internă..........................................................................21

4. Concluzii............................................................................................................................................ 34

5. Bibliografie ....................................................................................................................................... 35


4

1.Introducere Dezvoltarea şi diversificarea autovehiculelor rutiere şi a vehiculelor, mai ales cea a

automobilelor, împreună cu motoarele termice, în special cele cu ardere internă (fiind mai compacte, mai robuste, mai independente, mai fiabile, mai puternice, mai dinamice, etc...), a forţat şi dezvoltarea într-un ritm mai alert a dispozitivelor, mecanismelor, şi ansamblurilor componente. Cele mai studiate fiind trenurile de putere şi cel al transmisiei [1-4], [8-12].

O performanţă deosebită o reprezintă creşterea în continuare a randamentului mecanic al mecanismului motor principal [6-7] şi cel al sistemelor de distribuţie, până la cote nebănuite până în prezent, fapt ce va aduce o economie de combustibili majoră.

Astăzi toate motoarele cu ardere internă funcţionează în general la standarde ridicate, cu consumuri mici de combustibili, 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 drastice.

2. Motoarele termice cu ardere internă

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 [5] care promiteau o rezolvare imediată (pe care nu au adus-o nici pe departe) se diversifică permanent. Fiecare nouă apariţie declară că reprezintă soluţia finală, pretinzând că s-a rezolvat astfel şi problema combustibilului, cea energetică, şi a noxelor.

Motorul este o maşină care transformă o formă oarecare de energie în energie mecanică. Se disting următoarele tipuri de motoare: Electric, magnetic, electromagnetic, sonic, pneumatic, hidraulic, eolian, geotermic, solar, nuclear, cu reacţie (Coandă, împingătoare ionice, ionice, cu unde electromagnetice, cu plasmă, fotonice), termice.

Fiind motoarele cele mai vechi, cele mai utilizate şi cele mai răspândite, motoarele termice se pot clasifica la rândul lor în două mari categorii: motoare cu ardere externă şi motoare cu ardere internă. Printre cele mai cunoscute motoare cu ardere externă menţionăm: motoarele cu aburi şi motoarele Stirling.

Categoria motoarelor cu ardere internă fiind cea mai răspândită, cea mai utilizată, şi cea mai importantă, cuprinde mai multe subcategorii, din care vom încerca să enumerăm câteva: Motorul Lenoir (motorul în doi timpi), motorul Otto (motorul în patru timpi), motorul Diesel (cu autoaprindere şi injecţie de combustibil), motorul rotativ Wankel, motorul rotativ Atkinson, motoarele biodisel, motoarele cu hidrogen, etc.

2.1. Situaţia actuală a motoarelor termice cu ardere internă

Rezolvarea de moment a crizei energetice mondiale (care putea duce la diminuarea până la dispariţie a combustibililor petrolieri), criză care „ne bântuie” încă din anii 75-80, s-a făcut pe seama renunţării în mare parte a folosirii combustibililor fosilici pentru centralele electro sau termo-energetice (centrale care 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). 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.


5

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, etc...), 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).

Acesta este motivul real pentru care noi toţi automobiliştii căutăm noi şi noi soluţii. Iubitorii motorului cu ardere internă (vezi fig. 1-3) nu pot renunţa uşor la el. E prea robust, compact, dinamic, rapid, puternic, independent [1-13].

Fig. 1. Otto, Diesel

Fig. 2. Motorul rotativ Wankel Fig. 3. Primele motoare termice cu ardere internă

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, în condiţiile în care motoarele electrice au luat locul celor cu ardere internă în transportul public, dar 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


6

hidrogen, dar este acţionată de un motor electric), care este rolul şi ce perspective mai au motoarele cu ardere internă de tip Otto, Diesel, Wankel, Lenoir, (sau externă, Stirling, Watt)?

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 [13].

Motoarele magnetice (combinate şi cu cele electromagnetice) sunt abia la început, însă ele ne oferă o perspectivă îmbucurătoare mai ales în industria aeronautică. Probabil că la început ele nu vor putea fi folosite la acţionarea directă a transmisiei, ci vor genera curent electric care va umple acumulatorul din care se va alimenta efectiv motorul (probabil un motor electric).

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 (şi 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 hidroxil).

Ca o soluţie de rezervă (nu prea dorită), există arbori care pot dona combustibili de tip petrol, care ar putea fi plantaţi pe zone extinse, sau direct în curtea consumatorului. Cu mulţi ani în urmă, Profesorul Melvin Calvin, (Berkeley University), a descoperit că arborele Euphora, o specie rară, conţine în trunchiul său un lichid care are aceleaşi însuşiri ca şi ţiţeiul brut.

Acelaşi profesor a descoperit pe teritoriul Braziliei un copac care conţine în trunchiul său un combustibil cu proprietăţi asemănătoare motorinei. În cursul unei călătorii în Brazilia, băştinaşii l-au condus pe profesorul Calvin la un copac numit de ei “copa-iba”. În momentul găuririi trunchiului copacului, din acesta a început să curgă un lichid auriu, care era folosit de băştinaşi ca materie primă de bază pentru prepararea parfumurilor sau, în formă concentrată, ca balsam. Nimeni nu observase că acesta este un combustibil pur ce poate fi utilizat direct de motoarele diesel. Calvin a declarat că, după ce a turnat lichidul extras din trunchiul copacului direct în rezervorul maşinii sale (echipată cu un motor Diesel) motorul a funcţionat ireproşabil. În Brazilia copacul este destul de răspândit. El ar putea fi adaptat şi în alte zone ale lumii, plantat atât în păduri sau parcuri, cât şi în curţile unor oameni. Dintr-un copac crestat se umple circa jumătate de rezervor, iar crestătura se acoperă şi nu se mai deschide decât după şase luni; asta înseamnă că având 12 arbori într-o curte, un om poate umple un rezervor lunar cu noul combustibil diesel natural.

În unele ţări se produc alcooli sau uleiuri vegetale, pentru utilizarea lor drept combustibili (nu e o soluţie nouă şi nici prea eficientă). 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 (ioni) accelerate. Astfel de mini motoare vor putea acţiona în viitor şi diversele mijloace de transport, iar cândva poate chiar autovehiculele. Au apărur deja spre vânzare şi mini centralele nucleare particulare (utilizate de mult pe nave şi submarine); cine dispune de bani va


7

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-n aceste condiţii motoarele cu ardere internă vor trebui menţinute la vehiculele terestre (cel puţin), pentru puterea, compactitatea, fiabilitatea şi mai ales dinamica lor. Primele două mari revoluţii tehnice, ştiinţifice, industriale, economice, sociale, politice, care au schimbat radical aspectul (istoria) omenirii au avut la bază mecanismele cu camă şi tachet. Prima revoluţie s-a datorat apariţiei şi dezvoltării rapide a războaielor de ţesut (maşinilor automate cu came).

Fig. 4

A doua mare revoluţie s-a datorat tot mecanismelor cu came, de data aceasta fiind vorba de cele din componenţa motoarelor cu ardere internă cu supape, de tip Otto, Diesel ori Lenoir. Această etapă din dezvoltarea planetei noastre a avut rolul cel mai însemnat, în sensul că ne-a marcat profund modul de viaţă. Hai să ne imaginăm cum ar fi fost viaţa noastră astăzi fără mijloacele de transport moderne şi rapide, fără posibilitatea deplasărilor la mari distanţe, izolaţi, dar şi fără mijloacele necesare vieţii care nu ar mai fi putut fi nici ele transportate (evident nici construcţiile nu s-ar mai fi dezvoltat, nici marile uzine, magazine, stadioane, etc). Energia şi transportul (cele mai vitale pentru omenire) sunt astăzi mai mult ca oricând considerate strategice (chiar dacă ele au produs şi o parte din poluarea planetei), fapt pentru care se caută în permanenţă noi modalităţi de îmbunătăţire a mijloacelor de transport şi de producere a energiei; există chiar şi o simbioză între aceste două mari laturi sociale ale omenirii (ajunsă azi aproape la maturitatea ei deplină) [13].

Fig. 5


8

Dintre toate elementele prezentate, motorul Otto (sau de tip Otto) ocupă locul întâi.

Fig. 6

Fig. 7

Pe baza lui au fost posibile şi s-au dezvoltat transporturile publice (vezi primul autobuz realizat de Karl Benz în 13 noiembrie 1894, fig. 4) şi particulare (vezi primul autovehicul realizat de Karl Benz în 1885, fig. 5, primul autovehicul produs în serie de Karl Benz începând din 1894, fig. 6, şi primul automobil de curse „Blitzen Benz” realizat de Karl Benz în 1909, fig. 7).

2.2. Apariția și dezvoltarea, motoarelor termice cu ardere internă cu supape, de tip Otto sau Diesel, strȃns legată de cea a automobilelor

În anul 1680 fizicianul olandez, Christian Huygens proiectează primul motor cu ardere internă. 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,


9

neavând o aplicaţie imediată. În 1824 inginerul englez Samuel Brown adaptează un motor cu aburi determinându-l să funcţioneze cu benzină (vezi figura 8) [13].

Fig. 8 Fig. 9

Fig. 10

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,


10

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 9) [13].

În anul 1862 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 carburator (improvizat) rudimentar şi a adaptat motorul său pentru o cursă îngreunată de 500 de picioare. Este meritul inginerilor germani Eugen Langen şi Nikolaus August Otto de a construi (realiza fizic, practic, 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 (vezi fig. 10) [13].

Fig. 11

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. 11).

În 1885 Gottlieb Daimler aranjează un motor cu ardere internă în patru timpi cu un singur cilindru aşezat vertical şi cu un carburator îmbunătăţit montat prima dată pe o motocicletă (vezi foto 12) [13].

Fig. 12


11

Un an mai târziu şi compatriotul său Karl Benz aduce unele îmbunătăţiri motorului în patru timpi pe benzină (foto 13).

Fig. 13

Fig. 14 Fig. 15


12

Fig. 16

Atât Daimler cât şi Benz lucrau noi motoare pentru noile lor autovehicole (atât de renumite). 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. În 1892 apare primul automobil Peugeot cu o motorizare proprie de tip Otto (vezi figura 14). 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 15). 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 se detonează doar prin temperatura ridicată creată de comprimarea amestecului aer-carburant 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


13

combustibili inclusiv praful de cărbune, parcă prevăzând peste veacuri necesitatea diversificării combustibililor şi renunţarea treptată la combustibilii fosili petrolieri (aflaţi pe cale de dispariţie) [13].

Fig. 17 Fig. 18

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 cubio combustibili).

În iunie 1896 Ford construieşte prima sa maşină, quadricycletă (foto 16), la doi ani după Benz (vorbind de producţia de serie). În 1903 uzina Ford se transformă în Ford Motor Company, luând astfel o amploare fără precedent şi cunoscând un succes remarcabil atât în state cât şi pe bătrânul continent prin producţia sa bogată şi variată.

Henry Ford (1863-1947) a inventat o linie de asamblare automobile proprie, automatizată, mult îmbunătăţită, şi a instalat prima bandă transportoare pe linia sa automată de asamblare, în fabrica personală de autovehicule din Ford’s Highland Park, uzina din Michigan, USA, în 1913.

Linia de asamblare a redus costurile de producţie pentru autoturisme, prin reducerea timpului de asamblare.

Ford trece astfel de pe locul trei în lume (după Daimler şi Benz), pe primul loc, devenind astfel numărul unu în producţia mondială de autovehicule. În 1927 Ford fabricase deja 15 milioane automobile numai din faimosul model T (a cărui uzinare începuse din 1908, vezi foto 17), care imediat după prima automatizare s-a montat în numai 93 minute (figura 18).

Primul motor Ford a fost construit chiar de Henry în casa sa (artizanal), însă a funcţionat

foarte bine (vezi figura 19). La construcția primului său motor cu ardere internă, tȃnărul inginer Ford a lucrat singur, foarte mult, sacrificȃnd nu numai timp, bani, energie, dar și diversele instalații din casă din care a trebuit să ȋmprumute pentru o vreme ca să-și poată vedea proiectul finalizat și funcțional. A utilizat astfel chiar și robineți de apă din acea perioadă (vezi figura 19).

A rămas ȋnsă ȋn istorie prima bobină de inducție, construită (improvizată) de Ford (partea de jos a imaginii din figura 19); iată că tȃnărul inginer mecanic, a trebuit să ȋnvețe și cunoștințe de electrotehnică, pentru a-și putea vedea finalizat visul său. Cȃnd totul a fost gata, și motorul artizanal a fost pornit, spre surprinderea asistenței, el a funcționat imediat, ireproșabil [13].

Așa s-a născut o legendă vie, care avea să revoluționeze lumea automobilului, chiar de atunci, și pȃnă astăzi!


14

Fig. 19

Motoarele termice cu ardere internă au constituit timp de circa 150 ani baza motorizărilor in

transporturile rutiere, feroviare, navale și mult timp și in cele aeriene (fig. 20-29).

Fig. 20 Jeep-Wrangler_X Fig. 21 Autobuz_Volvo_articulat(cu burduf)


15

Fig. 22 Hovercraft_militar Fig. 23 Locomotiva_diesel_electric

Fig. 24 Catamaran Fig. 25 Salupa

Fig. 26 Yaht Fig. 27 Nava de croaziera


16

Fig. 28 Autobuz_etajat Fig. 29 Autocar

2.3. Discuție, analiza situației actuale, concluzii, perspective Dezvoltarea motoarelor cu ardere internă s-a făcut în permanenţă la cererea şi cu sprijinul

automobilelor (a industriei automobilelor). Trebuie menţionat că imediat după apariţia ei industria automobilelor a luat un start extraordinar şi s-a impus ca prima industrie din lume (cantitativ şi calitativ), din ea derivând apoi multe alte laturi ale industriei constructoare de maşini. Orice mare constructor de automobile a devenit ulterior şi un constructor de locomotive şi trenuri, un constructor de avioane, elicoptere şi aeronave, un constructor de şalupe, vapoare, etc. Roboţii industriali atât de răspândiţi şi diversificaţi astăzi, au luat fiinţă şi s-au dezvoltat ca un sprijin permanent al industriei constructoare de autovehicule. Industria petrolieră şi petrochimia s-au dezvoltat şi au luat amploare tocmai datorită industriei auto. La fel şi cea electronică şi electrotehnică (în fazele lor primordiale). Industria auto a creat şi dezvoltat în permanenţă multiple locuri de muncă, a ajutat la diversificarea altor ramuri din industria constructoare de maşini şi din alte sectoare şi domenii. Toată industria siderurgică şi cea metalurgică s-au dezvoltat iniţial datorită ei. Astăzi, nu mai putem concepe viaţa fără transport. Transporturile s-au dezvoltat şi diversificat în toate direcţiile devenind o componentă fundamentală a vieţii noastre cotidiene.

Ce rol mai poate juca astăzi bătrânul motor Otto, sau Diesel? Motoarele cu ardere internă sunt încă adânc ancorate în toate mediile de transport de azi, trăind într-o simbioză reală cu automobilele şi cu alte mijloace de transport, însă în concurenţă permanentă cu alte tipuri de motoare. Principalul concurent al motoarelor cu ardere internă a fost şi a rămas motorul electric.

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, şi o parte din această energie o luăm suplimentar şi o consumăm suplimentar pe (auto)vehicule cu motoare electrice, dar 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 mai mult curent electric produs mai ales din petrol; consumul petrolier a crescut mult, preţul său a trebuit să aibă un salt uriaş, şi ne uităm cum rezervele dispar rapid.

Generalizând brusc şi automobilele electrice (deşi nu suntem încă pregătiţi real pentru acest lucru), vom da o nouă lovitură rezervelor de petrol şi gaze.


17

Din fericire în ultima vreme s-au dezvoltat foarte mult biocombustibilii, biomasa şi energetica nucleară (deocamdată cea bazată pe reacţia de fisiune nucleară). Acestea împreună şi 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 (în ciuda eforturilor făcute până acum).

Acest fapt nu trebuie să ne dezarmeze, şi să renunţăm la implementarea centralelor solare, eoliene, etc.

Totuşi, ca o primă necesitate de a scădea şi mai mult procentul de energii globale obţinute din petrol şi gaze, primele măsuri energice 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 trebuiesc 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 un fel de „basm”).

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 mai mare la hidrogen nu mai este stocarea sigură, ci cantitatea mare de energie necesară pentru extragerea lui, şi mai ales pentru stocarea (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 nefiind 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.

Am arătat detaliat motivele pentru care motorul Otto sau de tip Otto, a supravieţuit şi a continuat să se dezvolte chiar în plină criză energetică, astfel încât nu mai e necesar să facem o altă precizare referitoare la necesitatea prezentării acestei cărţi.

Poate doar să mai spunem că datorită lui în plină criză energetică (şi nu doar energetică, din 1970 şi până azi), producţia de automobile şi autovehicule a sporit într-un ritm alert (dar firesc), în loc să scadă, 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, 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 au circulat pe întreaga planetă peste 800 milioane autovehicule.

Foarte curȃnd parcul auto global v-a atinge 1 miliard de autovehicule echipate ȋn proporție

de 99,99% cu motoare termice cu ardere internă... Ȋncercările marilor guverne de a casa mai repede rablele prin programe bine stabilite, abia

dacă reușesc să caseze anual circa 200000-300000 de autovehicule vechi. Dar tot anual și global se produc alte circa 20-30 milioane noi autovehicule, echipate ȋn general cu motoare termice cu ardere internă; adică anual la nivel planetar se produc de 100 de ori mai multe autovehicule noi decȃt se casează... Ȋn acest mod nu se vor putea reduce automobilele cu motoare termice cu ardere internă. E clar că toate autovehiculele noi produse se și vȃnd și intră apoi ȋn utilizare. Toți marii producători auto au investit sume uriașe ȋn liniile de fabricație, și nu pot opri producția atȃta timp cȃt cheltuielile nu s-au amortizat ȋncă.

Pe de altă parte producția de curent electric se face ȋncă ȋn proporție de circa 60-66% prin arderea combustibililor fosilici, astfel ȋncȃt ȋnlocuirea unui motor cu ardere termică cu unul electric


18

aduce pierderi energetice mai mari, poluare mai mare, eficiența energetică globală devenind mult mai redusă. Chiar trecerea masivă (ȋncă din anii 1980) la electrificarea transporturilor pe calea ferată, a dus la o sporire a poluării, la o creștere a consumului de combustibili fosilici, rezultȃnd global pierderi ȋnsemnate. Pentru a putea ȋnlocui logic parcul termic cu unul electric este nevoie de foarte multă energie electrică verde, sustenabilă, regenerabilă, prietenoasă. Pe măsură ce se ȋnmulțesc parcurile eoliene, solare, fermele solare, etc., vom putea vorbi de o echilibrare energetică a balanței, ȋn sensul scăderii pȃnă la eliminare a consumului de hidrocarburi, și combustibili fosilici, și atunci se va putea vorbi de intrarea ȋntr-o nouă eră, electronică, ȋn care energia verde, superioară, va putea fi utilizată rațional, moment ȋn care se va putea ordona politic conversia motoarelor termice ȋn motoare electrice și de alt fel. Atunci se vor căuta și găsi și soluții tehnice pentru ȋnlocuirea parcului Otto, Diesel, etc., cu unul nou, electric, ionic, etc.

Pentru moment „mingea” se află nu la constructorii auto, ci la energeticieni!

2.4. Evoluția tehnică viitoare a motoarelor termice cu ardere internă Cursa pentru hidrogen a început (cel mai sigur vor fi trecute pe hidrogen autobuzele, care oricum

se alimentează în general din unul sau câteva puncte comune, din cadrul autogării, sau autobazei lor; ele au şi spaţiul necesar pentru montarea rezervoarelor de hidrogen).

Motorul termic cu ardere internă, care a dominat ultimii circa 150 ani, se extinde prin hibrizi care-l fac mai fiabil şi mai viabil, mai puternic, mai economic, mai puţin poluant, se extinde spuneam către motorul viitorului, termic cu ardere internă cu hidrogen!

În perspectiva imediată viitorul lui îl reprezintă scăderea consumului de combustibili utilizaţi (petrolieri), prin proiectarea tot mai modernă a motoarelor termice şi a sistemelor auxiliare, prin utilizarea biocombustibililor a căror necesitate a fost prevăzută de Diesel cu mulţi ani în urmă, dar şi prin construcţia unor soluţii hibride, despre care vom mai discuta mai târziu în cadrul acestei cărţi.

Pe lângă el se dezvoltă armonios şi concurenţial şi motoarele electrice, soluţiile hibride, şi de ce nu, în viitor şi noi motoare termice cu ardere externă.

Rezervorul de hidrogen a reprezentat în ultimii 40 ani o problemă atât de dificilă încât a frânat în toţi aceşti ani antamarea problemei combustibilului viitorului (hidrogenul), mai mult chiar decât „anumite cercuri ale petroliştilor, care vedeau în el un duşman de temut, ce trebuie adormit pe termen cât mai lung”.

Stocarea lui eficientă în condiţii de siguranţă a fost o problemă majoră până în ultimii cinci-zece ani.

Din fericire astăzi această problemă este rezolvată, corect şi unitar. Există un cilindru de stocare special amenajat (vezi figura 4, HB-SC-0660-N), care poate stoca

hidrogen lichid presurizat, recomandat la vehicule mici (motorete, motociclete), sau la vehicule normale pentru viitor când se vor utiliza motoare compacte pe hidrogen; cilindrul are 38 cm lungime, o greutate de 6 kg, şi 660 l stocaţi la o presiune de 4-5 MPa (presiunea fiind determinată la temperatura de 250 celsius).

Temperatura mediului recomandată între 5 şi 600 celsius, probabil va putea fi coborâtă undeva mai jos, pe viitor.

Actualmente, la o maşină mare (grea), un astfel de cilindru asigură o autonomie de circa 100 km. El se poate încărca uşor numai la o staţie specializată.

Practic acest cilindru se multiplică la rezervoarele mai mari. Pentru autovehiculele rutiere mari şi mijlocii se recomandă un dispozitiv compus din cinci astfel de cilindri (vezi foto 30, HB-SS 3300).

Capacitatea lui de stocare creşte de cinci ori ajungând de la 660 l la 3300 l hidrogen lichid sub presiune.

Un autoturism de teren va parcurge cu un astfel de rezervor (umplut iniţial) circa 500 km.


19

Pactul HG8

Fig. 30. Tancurile de hidrogen

Un prim pas important al acestui proces complex este trecerea autoturismelor pe hidrogen lichid (cel puţin pentru început), stocat în rezervoare special amenajate (tancuri de hidrogen) şi pregătirea staţiilor de distribuţie a acestui tip de combustibil.


20

Acest pas a început efectiv prin semnarea unei înţelegeri (acord, protocol) între 8 (opt) mari producători auto, „acordul pentru hidrogen”; semnarea acordului în Germania în toamna anului 2009 putem s-o numim „un G8 al hidrogenului”, „grupul celor 8 pentru hidrogen”, sau prescurtat „HG8”. Problema cea mai mare la hidrogen rămâne energia uriaşă consumată pentru stocarea lui.

Hidrogenul reprezintă combustibilul ideal pentru automobilul viitorului în cazul în care dorim să păstrăm şi în continuare motoarele cu ardere internă.

Hidrogenul se poate obţine uşor prin diferite procedee industriale şi de laborator. Hidrogenul are marele avantaj de a se putea obţine şi în cantităţi industriale. Costul său este convenabil şi ar putea chiar să scadă foarte mult. Extras din apă el regenerează apa prin arderea lui refăcând astfel echilibrul natural şi în plus arderea hidrogenului direct în motoare în patru timpi nu produce noxe aşa cum se întâmplă astăzi când folosim combustibilii petrolieri. Hidrogenul se extrage relativ uşor din apă (avem deja mai multe metode disponibile) dar s-a constatat că ar fi mai simplu să disociem apa în hydroxyl HO şi oxigen O. Gruparea hydroxyl obţinută este un lichid maro care arde foarte bine, iar disocierea produsă în acest fel consumă chiar mai puţină energie. Hidrogenul trebuie stocat în butelii de tip fagure deoarece trebuie eliminat pericolul unor explozii; în general el se stochează sub presiune, comprimat în stare lichidă.

Testat de foarte multă vreme (alături de alţi combustibili neconvenţionali cum ar fi metanolul,

etanolul, uleiurile vegetale, etc) la început, hidrogenul nu a dat imediat rezultatele aşteptate. Hidrogenul era testat în general în amestecuri şi nu dădea rezultate bune în acest mod. Când s-a

trecut la arderea lui fără nici un amestec din nou au fost probleme. Hidrogenul era încercat direct în motoarele cu ardere internă existente fără modificări ale acestora, astfel încât era normal ca arderea lui să nu dea rezultate imediate. Hidrogenul arde de zece ori mai repede decât combustibilii clasici, deci procesele de ardere se desfăşoară de zece ori mai rapid. Logic ar fi să încercăm să-i adaptăm un motor mai rapid.

El este elementul cel mai uşor atomul normal de hidrogen având nucleul cu un singur nucleon. Un singur nucleon în nucleu, adică doar un proton şi nici un neutron. Elementul hidrogen, chiar

stocat în stare lichidă la temperatura de -2520C este de 10 (zece) ori mai uşor decât benzina. Un kg de hidrogen dezvoltă aproape de trei ori mai multă căldură decât un kg de benzină. Totuşi amestecul corect aer-hidrogen generează numai cu 25% mai multă căldură faţă de

amestecul aer-benzină. Este de remarcat faptul că în timp ce amestecul aer-benzină se aprinde în limite relativ reduse, amestecul aer-hidrogen arde într-o plajă mult mai largă.

Numai 2-3 km cubi de apă oceanică descompusă în hidrogen şi oxigen ar dona hidrogenul necesar

nevoilor anuale mondiale de transport rutier. Ce ar reprezenta acest eventual consum mondial anual de 2-3 km3 din totalul de 1370000000 km3 aparţinând oceanului planetar? Trei km3 faţă de totalul planetar reprezintă 2*10-7 %. Acest procent total nesemnificativ de apă consumată anual s-ar reface chiar în anul respectiv prin faptul că prin ardere hidrogenul produce la loc apă. Ce să mai vorbim de calitatea aerului care nu ar mai fi umplut cu monoxid şi cu dioxid de carbon, de faptul că am putea să-i redăm planetei aerul curat, scuturile refăcute şi clima ei iniţială, blândă şi normală, de faptul că am putea respira din nou normal, noi, copiii şi nepoţii noştri.

Așa cum s-a mai specificat, se utilizează deja motoare termice cu ardere internă care ard

uleiuri vegetale (obținute din alge, floarea soarelui, rapiță, etc.), alcooli (etanol și uneori chiar metanol), gaz metan, benzină și sau motorină sintetică (obținută ȋn laboratoare), combustibili extrași din anumiți arbori, etc.

Cantități foarte mari de biocombustibili lichizi se obțin ȋn USA și Brazilia din culturi, iar apoi sunt arși direct ȋn motoarele termice cu ardere internă. La fel se produc și utilizează și alcoolii, tot ȋn Brazilia, USA și ȋn plus și ȋn Germania.


21

3. Optimizarea motoarelor termice cu ardere internă Așa cum s-a arătat deja, cea mai bună metodă de economisire a combustibilului, a fost cea

de optimizare a motoarelor termice cu ardere internă, și cu scopul scăderii consumului de combustibil al unui autovehicul (al motorului autovehiculului). Prin optimizări succesive, prin politica „pașilor mici”, s-a ajuns „ȋncet-ȋncet” de la un consum mediu de 40 l / 100km parcurși, la circa 6-10 l / 100 km parcurși, discutȃnd pentru un autovehicul mediu-mare.

Cele mai multe modificări s-au făcut la alegerea tipului motorului [3, 6], la mecanismul de distribuție [4, 8-12], și ȋn măsură mai mică la instalațiile auxiliare [3, 6-7].

Evident tipul constructiv al motorului cu ardere internă ȋmpreună cu mecanismul motor principal este cel care produce puterea și de aici se poate obține mereu o economie de conbustibil.

Pe locul doi se situează la marea majoritate a motoarelor termice cu ardere internă mecanismul de distribuție, cu supape, deoarece și acesta consumă din puterea motorului ȋntre 20 și 35%. Ȋn plus mecanismele de distribuție ȋn majoritatea cazurilor realizează umplerea motoarelor cu amestecul combustibil, sau cel puțin cu aerul ce va contribui la arderea combustibilului, astfel ȋncȃt distribuția are un rol ȋnsemnat și ȋn procesele de ardere care au loc ȋn interiorul motorului respectiv, putȃnd contribui la o ardere mai bună, mai completă, cu realizarea unei puteri mai mari, chiar cu un consum de combustibil mai redus.

Nu ȋn ultimul rȃnd, mecanismele de distribuție realizează și evacuarea gazelor arse din interiorul motorului termic, etapă care contribuie și ea la ȋmbunătățirea proceselor de admisie și ardere, atunci cȃnd evacuarea se face corespunzător [4, 8-9, 11-12].

O metodă clasică de creștere a randamentului motorului termic, era alegerea unui motor ȋn V

(fig. 31); se obținea astfel un randament mai bun, o putere mai mare pentru același consum de combustibil, și chiar consumuri mai mici (la suta de km parcurși). Un autovehicul echipat cu un motor ȋn V este ȋn general mult mai dinamic (mai nervos), putȃnd satisface șoferii grăbiți sau chiar piloții de curse.

Fig. 31. Ambielajul unui motor V12 modern de mare litraj şi putere; echilibrare foarte bună


22

O altă metodă de optimizare a motoarelor cu ardere internă a reprezentat-o supraalimentarea motoarelor, sau turboalimentarea, utilizȃndu-se un turbocompresor (fig. 32).

Fig. 32. Turbocompresor pentru supraalimentarea unui motor diesel de circa 2.5 l

E vorba de supraalimentarea nu cu combustibil, ci cu aer, trimis ȋn motor nu doar prin

procedeul clasic de absorție, ci și prin utilizarea unui ventilator-turbină, care să trimită aerul forțat ȋn interiorul camerei de ardere.

Turbo-supra alimentarea utilizeaza energia gazelor de evacuare care in mod normal sunt deversate in atmosfera. Debitul de gaze evacuate antreneaza turbina care, la randul sau, antreneaza compresorul montat pe un ax comun cu aceasta.

Prin procedeul de supraalimentare presiunea in colectorul de admisie ajunge la 0,9-1,3 bar peste presiunea atmosferica. Astfel umplerea cilindrilor este imbunatatita iar eficienta volumetrica poate ajunge la 100%. Cresterea cantitatii de aer este acompaniata de cresterea dozei de combustibil injectate ce are ca rezultat cresterea puterii motorului cu pana la 40% comparativ cu un motor aspirat normal de aceeasi capacitate cilindrica.

Principalele avantaje ale supraalimentarii sunt urmatoarele, grupate in continuare: - reducerea consumului de combustibil – comparativ cu un motor aspirat normal de aceeasi

putere vom avea o reducere a consumului de combustibil deoarece se recupereaza energia gazelor de evacuare. Totodata motoarele turbo au o cilindree mai redusa comparativ cu cele aspirate normal de aceeasi putere ceea ce inseamna pierderi prin frecare mai reduse.

- reducerea raportului putere/greutate motor – acest raport este superior celui care caracterizeaza motoarele aspirate natural.

- puterea motorului nu este afectata de altitudine – odata cu cresterea altitudinii la motoarele aspirate natural puterea este afectata prin reducerea randamentului volumetric al umplerii. La motoarele turbo-supraalimentate refacerea puterii este posibila datorita modificarii regimului de lucru al turbinei.


23

Componentele agregatului de supraalimentare sunt prezentate si descrise in continuare. Compresorul Ansamblul compresor este alcatuit din: - compresorul rotativ cu paleti - carcasa - canalizatia de intrare a aerului - canalizatia de iesire a aerului Compresoare folosite au intrarea axiala si iesirea radiala, viteza periferica a paletilor putand

atinge 520 m/s. Turbina Componenta ansamblului turbinei cuprinde urmatoarele elemente de baza: - turbina cu paleti - carcasa - intrarea radiala - iesirea axiala. Turbina cu paleti este realizata din aliaje de nichel si crom deoarece acestea trebuie sa

suporte temperaturi ce pot atinge 1050°C. Lagarele turbo-suflantei Lagarele au rolul de a sustine si unge arborele turbosuflantei, arbore ce se poate roti cu

turatii pana la 20.000 rpm. Aceste lagarele pot fi de tipul inelelor sau de tip semicuzineti. In cazul lagarelor de tip inel (bucșă), acestea se rotesc cu jumătate din turația arborelui turbo-suflantei. Intre inel si arbore precum si intre carcasa si inel exista in permanenta ulei sub presiune din sistemul de ungere al motorului.

In cazul lagarelor tip semicuzineti acestia sunt asigurati contra rotirii si beneficiaza de ungere sub presiune similar ca la arborele cotit al motoarelor. In cazul ungerii insuficiente lagarele se distrug rapid, debitul de ulei necesar fiind ce 8-10 litri/min, iar presiunea de cca. 4 bar. Tendinta actuala este de utilizare a lagarelor avand la baza rulmenti cu ace.

Controlul presiunii de turbo-supraalimentare Daca turbo-suflanta ar fi proiectata sa produca maximum de putere la turatia maxima a

motorului, aceasta ar avea dimensiuni sporite si o greutate apreciabila a pieselor in miscare de rotatie ceea ce ar afecta timpul de raspuns in cazul turatiilor reduse de functionare. Micsorarea dimensiunilor agregatului este de dorit dar acest lucru se face astfel incat el sa produca un nivel acceptabil de putere in cazul turatiilor reduse si sa raspunda prompt la accelerare.

Utilizarea unui turbocompresor de dimensiuni reduse (turatie ridicata de functionare) creeaza riscul producerii unei suprapresiuni. In aceasta situatie trebuie redusa turatia de functionare a turbinei, lucru realizabil prin intermediul unei supape ce limiteaza debitul de gaze. Aceasta supapa denumita in mod curent „wastegate” este actionata prin intermediul unei tije ce face legatura cu o capsula vacuumatica, functionarea ei fiind pusa in evidenta pe schema bloc din figura de mai jos.

Turbo-suflanta cu geometrie variabila


24

In vederea mentinerii unor performante ridicate ale motorului, in special cuplul acestuia, atat in regimurile de turatii si sarcini joase, cat si in cele inalte se practica controlul sectiunii de intrare a gazelor arse in rotorul turbinei. Astfel, la regimurile joase, cand debitul si viteza gazelor este redusa, sectiunea de trecere se micsoreaza, accelerand astfel curgerea gazelor si implicit presiunea lor dinamica care actioneaza asupra paletelor rotorului turbinei. Se obtine in acest mod o turatie ridicata a turbinei si in consecinta a compresorului, parametrii aerului refulat fiind apropiati de cei obtinuti in regimurile inalte de lucru ale motorului. Contrar, la turatii si sarcini mari ale motorului, debitul gazelor de ardere, viteza de curgere si presiunea lor dinamica sunt crescute, astfel incat turatia turbinei si compresorului sunt ridicate. Pentru a nu creste excesiv valoarea parametrilor de lucru si in acelasi timp pentru a proteja turbina, sectiunea de trecere se mareste, astfel incat rezistenta gazodinamica a jetului de gaze arse sa fie minima.

Modificarile de sectiune se pot realiza in doua moduri. Se observa ca la acest sistem de

reglare, la turatii si sarcini mici, fluxul de gaze este dirijat aproximativ normal la paleta rotorica, ceea ce imbunatateste mult eficienta procesului. In final, rezulta un agregat mai eficient ce imbunatateste performantele motorului.

Pornirea si oprirea motorului Pe perioadele de oprire si pornire ale motoarelor prevazute cu turbo-suflante ungerea

acestor agregate este deficitara datorita presiunii reduse din sistemul de ungere. Observatie: Din acest motiv dupa pornire si inainte de oprirea motoarelor nu trebuie sa se

accelereze. Intercoolerul Odata cu comprimarea aerului de catre compresor, la iesirea din acesta aerul are o

temperatura ridicata ceea ce afecteaza densitatea si odata cu ea eficienta umplerii. Pentru a combate acest fenomen se apeleaza la racitoare intermediare denumite

„intercooler”. Cel mai adesea se utilizeaza intercoolere de tip aer-aer ce reduc temperatura la 50-60°C.

Reducerea gradului de poluare Motorul Diesel functioneaza in permanenta cu exces de aer ceea ce il face mai putin poluant

decat motorul cu aprindere cu scanteie, cu benzina, in special in ceea ce priveste noxele de CO si HC. Principalele produse poluante ale motorului diesel sunt NOx si particulele. Dupa cum se

cunoaste, NOx -ul se produce datorita excesului de aer si al temperaturilor ridicate din cilindri. Particulele sunt rezultatul unui exces de combustibil si al arderilor incomplete, in special pe

perioada accelerarilor si al functionarilor la rece. Aceste particule pot duce la colmatarea convertoarelor catalitice. O masura de combatere a

colmatarii este aceea de reducere a avansului la declansarea injectiei, la regimuri medii si inalte de functionare a motoarelor (dar nu la regimul maxim).

Sistemul EGR Sistemul EGR permite reducerea concentratiei de NOx prin recircularea unei anumite

cantitati de gaze arse. Acestea vor intra in sistemul de admisie si apoi in motor, unde vor avea ca efect reducerea temperaturii in timpul procesului de ardere.

Cantitatea de gaze arse recirculate este riguros controlata astfel incat, de la turatia de ralanti si pana la 3500 rot/min, controlul se face si in functie de informatia primita de calculator de la debitmetrul de aer.


25

Injectarea directă a combustibilului, a reprezentat primul pas real pentru creșterea puterii motorului și scăderea consumului real de combustibil (fig. 33).

Fig. 33. Sistem de injecție directă Bosch

Elementele componente ale sistemului de injecție Bosch (fig. 33). pompă de înaltă presiune rampă comună injectoare Un sistem de injecţie este proiectat astfel încât să îndeplinească mai multe funcţii: să dozeze cantitatea de combustibil pe ciclu în funcţie de regimul de funcţionare al motorului; să creeze o presiune ridicată a combustibilului pentru a face posibilă pulverizarea; să asigure pulverizarea li distribuţia combustibilul în camera de ardere; să iniţieze injecţia de combustibil la un moment bine determinat pe ciclu şi să asigure o durată a

injecţiei determinată; să asigure dozarea egală a combustibilului între mai mulţi cilindrii. Scurt istoric al injecţiei de motorină pentru automobile: 1897: Rudolf Diesel construieşte primul prototip funcţional de motor; 1908: Prosper L'Orange împreună cu Deutz dezvoltă o pompă de injecţie cu injector; 1930: Primul automobil echipat cu un motor diesel construit de Cummins; 1933: Citroen Rosalie – primul automobil european prototip cu motor diesel;


26

1936: Mercedes-Benz 260D primul automobil de serie cu motor diesel; 1968: Peugeot introduce primul 204 cu motor diesel montat transversal şi tracţiune pe puntea

faţă; 1986: Bosch lansează EDC pe modelul BMW 524D; 1994: Bosch produce sistemele de injecţie pompă injector; 1997: Alfa Romeo 156 - primul automobil cu sistem de injecţie cu rampă comună (Common Rail); 2007: BMW lansează pe modelele de serie sisteme de injecţie cu rampă comună cu presiunea de

injecţie maximă de 2000 bari. La nivel mondial există patru mari producători de sisteme de injecţie pentru automobile. Piaţa

este împărţită de Bosch, Continental, Delphi, şi Denso. De asemenea automobilele din grupul Fiat echipează unele din motoarele sale cu sisteme de injecţie produse de Magneti Marelli.

Sistemele de injecţie pentru motoare diesel se pot clasifica în funcţie de o multitudine de criterii.

În prezentul paragraf vom discuta despre sisteme de injecţie directă şi indirectă, evoluţia şi tipul acestora precum şi despre modul de funcţionare al fiecărei componente.

Tipuri de sisteme de injecţie (din punct de vedere al injecţiei combustibilului): Injecţia indirectă (cu pre-cameră) La motoarele diesel cu injecţie indirectă combustibilul este injectat într-o precameră

supraîncălzită (fig. 34). Aprinderea combustibilului este iniţiată în precameră iar apoi este propagată în cilindru unde are loc arderea propriu-zisă a amestecului aer-combustibil. Pre-camera reprezintă aproximativ 40% din volumul total al camerei de ardere.

Fig. 34. Sistem de injecție indirectă Bosch, (diesel) cu precameră


27

Elementele componente ale sistemului de injecţie:

1-injector 2-bujie incandescentă 3-pre-cameră 4-chiulasă 5-cilindru

Pre-camera este atent concepută pentru a asigura amestecarea corespunzătoare a combustibilului pulverizat cu aerul comprimat supraîncălzit. Astfel se reduce viteza de ardere care are ca efect reducerea zgomotului datorat arderii precum şi a solicitărilor mecanice asupra pieselor motorului. Cu toate acestea utilizarea unei pre-camere are dezavantajele unor pierderi adiţionale de căldură care se traduce într-un randament mai mic. În plus pre-camera necesită utilizarea unor bujii incandescente pentru a facilita pornirea.

În cazul injecţiei indirecte aerul se mişcă cu viteză ridicată îmbunătăţind astfel omogenizarea amestecului aer-combustibil. Acest avantaj simplifică construcţia injectorului şi permite utilizarea de motoare cu capacitate cilindrică mai mică, cu toleranţe de construcţie mai permisive deci mai puţin costisitoare şi mai fiabile.

Prin comparaţie sistemele de injecţie directă combină mişcare mai lentă a aerului cu mişcare rapidă a combustibilului injectate la o presiune mare.

Avantajele utilizării injecţiei indirecte sunt următoarele:

-se poate utiliza la motoarele cu capacitate cilindrică mică -presiunea de injecţie necesară este relativ scăzută (100-300 bari) deci costul unui injector este redus -turaţia maximă a motorului poate atinge valori de 6000 rot/min datorită arderii divizate

Dezavantajele utilizării unei astfel de soluţii se rezumă la: -consum specific ridicat datorită pierderilor prin căldură şi a pierderilor de presiune în timpul arderii -tensiuni termice şi mecanice concentrate pe anumite porţiuni ale pistonului şi a camerei de ardere ce conduc la limitarea puterii maxime ce poate fi obţinută din motor Soluţia de injecţie indirectă cu pre-camera a fost utilizată începând cu anii 1920. Tehnologia de injecţie directă era cunoscută la aceea vreme dar se utiliza în general doar pe camioane. Motivul era zgomotul şi vibraţiile puternice specifice injecţiei directe, fenomene mai puţin controlabile la aceea vreme. Pe motoarele diesel moderne injecţia indirectă nu se mai utilizează în principal datorită consumului specific ridicat şi în al doilea rând datorită limitării performanţelor dinamice.

Soluţia de pompă de injecţie cu elemente de refulare pentru fiecare cilindru (pompa cu elemente în linie) este costisitoare deoarece utilizează un număr mare de piese identice, de mare precizie, costul fabricaţiei cât şi a întreţinerii fiind ridicat. De asemenea reglajul este complicat iar probabilitatea de a avea caracteristici de injecţie diferite între cilindrii este mare datorită posibilelor diferenţe de geometrie.

Din acest motiv s-a trecut ȋncă de acum circa 30 ani la o soluție care mai are și avantajul unei

injecții uniforme pe cilindrii, contribuind astfel la o ardere mai bună și la obținerea unor parametri superiori pentru motorul termic care o utilizează; e vorba evident de pompa de injecție rotativă (fig. 35).


28

Fig. 35. Pompă de injecție diesel cu distribuitor rotativ și control electronic – Bosch VP44

Elementele componente ale pompei: 1-arbore de antrenare 2-modulul electronic de comandă al pompei 3-conector pentru calculatorul de injecţie 4-electro-supapă de control a presiunii 5-racorduri de legătură cu injectoarele

Impurităţile din motorină pot provoca deteriorarea

componentelor sistemului de injecţie: pompă, injector, supape, etc. De asemenea motorina poate conţine apă, care odată ajunsă în sistemul de injecţie poate conduce la griparea pieselor în mişcare sau la o corodare prematură. Din aceste motive este necesară utilizarea unui filtru (fig. 36) care să răspundă cerinţelor de filtrare ale sistemului de injecţie cum ar fi: diametrul minim al particulelor filtrate, reţinerea apei şi fiabilitate ridicată.

Elementele componente ale filtrului:

1. racord rezervor combustibil 2. racord pompă joasă/înaltă presiune 3. retur combustibil 4. orificiu de eliminare a apei colectate

Fig. 36. Filtru de motorină Delphi


29

Cerinţele unui filtru de motorină se împart în patru mari categorii: -filtrarea impurităţilor -gestionarea apei din motorină (separarea apei, stocarea şi detecţia) -încălzirea motorinei (prevăzute la filtrele motoarelor ce operează şi la temperaturi scăzute) -eliminarea gazelor (aerului) Din aceste considerente funcţionarea la parametrii nominali ai unui filtru este indispensabilă unui motor diesel. Defectul total sau parţial al unui filtru de motorină poate conduce chiar şi la avarierea iremediabilă a componentelor sistemului de injecţie. Prezentarea unui Injector cu comandă electrică (fig. 37) Introducerea combustibilului în cilindru se face prin intermediul injectoarelor. Prin durata deschiderii injectoarelor se controlează cantitatea de combustibil injectată. Injectorul este conectat, în cazul sistemelor de injecţie common-rail, la rampa de înaltă presiune prin intermediul unui racord şi a unei conducte. Acţionare injectorului este electrică şi se face la comanda calculatorului de injecţie. Momentan exist două soluţii pentru acţionarea injectoarelor: cu solenoid (electro-magnet; fig 37) sau cu cristal piezoelectric. Soluţia cu solenoid este mai puţin costisitoare decât cea piezoelectrică dar acţionarea este mai puţin rapidă. Continental este producătorul care are toată familia de sisteme de injecţie cu acţionare piezoelectrică. Bosch, Delphi şi Denso oferă soluţii cu solenoid cât şi piezoelectrice.

Fig. 37. Injector cu comandă electrică Delphi, cu solenoid

Elementele componente ale injectorului: 1-corpul injectorului 2-racord de joasă presiune (retur) 3-racord de înaltă presiune 4-conectori electrici 5-solenoid 6-supapă de comandă 7-acul injectorului 8-pulverizator


30

Un inconvenient al sistemelor de injecţie cu pompă cu elemente în linie sau cu pompă cu distribuitor rotativ este dată de dependenţa presiunii de turaţia şi sarcina motorului. Din acest motiv este destul de dificil să se optimizeze combustia pentru fiecare punct de funcţionare al motorului. Sistemele de injecţie cu rampă comună înlătură acest inconvenient datorită faptului că pompa de înaltă presiune ridică presiunea şi o stochează într-un acumulator numit rampă comună. Injectoarele nu mai sunt conectate direct la pompă ci sunt alimentate la rampă. Principalul avantaj al sistemelor de injecţie cu rampă comună constă în independenţa presiunii combustibilului faţă de punctul de funcţionare al motorului (turaţie şi sarcină). Această independenţă conferă posibilitatea optimizării injecţiei pentru creşterea performaţelor dinamice şi de consum ale motorului. De asemenea este posibilă divizarea injecţiei de combustibil în mai multe faze: pre-injecţie, injecţie principală şi post-injecţie. Într-un sistem de injecţie cu rampă comună ridicare presiunii combustibilului şi injecţia propriu-zisă sunt complet independente. Cantitatea de combustibil injectată este definită de conducătorul auto, prin poziţia pedalei de acceleraţie, iar începutul injecţie şi durata injecţiei este controlată de calculatorul motorului. Toate sistemele de injecţie cu rampă comună sunt controlate electronic şi conţin următoarele elemente: -calculator de injecţie (ECU – Engine Control Unit) -senzor turaţie motor -senzor poziţie arbore cu came -senzor poziţie pedală de acceleraţie -senzor presiune de supraalimentare -senzor presiune rampă -senzor temperatură motor -senzor debit masic de aer (debitmetru) Viteza de rotaţie a motorului este determinată cu ajutorul senzorului de turaţie iar ordinea injecţie (de exemplu 1-3-4-2 pentru un motor cu patru cilindrii) prin intermediul senzorului de poziţie al arborelui cu came. Tensiunea electrică generată de potenţiometrul senzorului de poziţie al pedalei de acceleraţie informează calculatorul de injecţie asupra cererii de cuplu pe care o face conducătorul auto. Masa de aer măsurată este utilizată pentru calculul cantităţii de combustibil ce trebuie injectată în motor astfel încât arderea să fie cât mai completă şi cu emisii minime de substanţe poluante. Temperatura motorului este utilizată pentru a corecta debutul injecţiei şi cantitate de combustibil injectată. Astfel, cu ajutorul informaţiilor citite de la senzori, calculatorul de injecţie controlează momentul deschiderii şi închiderii injectoarelor precum şi durata injecţiei. Rampa comună Principalele funcţii ale rampei comune (sau acumulatorul de presiune fig. 38) sunt cele de acumulare de combustibil la presiune înaltă precum şi distribuţia acestuia la injectoare. De asemenea rampa mai are rolul de filtru ale oscilaţiilor de presiune produse pompă la încărcare şi injectoare la descărcare.


31

Fig. 38. Rampă comună cu injectoare Delphi

Rampa comună (1) este prevăzută de asemenea cu un senzor de presiune (3) care informează calculatorul de injecţie nivelul presiunii pentru injectoare (6).

Controlul presiunii din rampă se face cu ajutorul unui electro-supape care are rol de regulator de presiune (2).

Electro-supapa este comandată de către calculatorul de injecţie iar când se deschide refulează combustibilul prin intermediul racordului (4).

Alimentarea rampei cu combustibil sub presiune se face prin racordul (5) care este conectat la pompa de înaltă presiune.

Legătura dintre pompa de transfer şi rampa comună este realizată de pompa de înaltă

presiune. Rolul pompei este a asigura o presiune ridicată a combustibilului în rampă, indiferent de

condiţiile de funcţionare ale motorului, pe întreaga durată de viaţă a motorului cu ardere internă. Antrenarea pompei se face prin cuplarea acesteia la arborele cotit al motorului. Turaţia maximă a pompei depinde de tipul pompei.

De exemplu pompele de primă generaţie Bosch sunt limitate la 3000 rot/min.

Principalele elemente componente ale unei pompe de înaltă presiune pentru sistemele de injecţie cu rampă comună sunt prezentate în figura 39. Pompa prezentată este Bosch de primă generaţie cu trei pistoane dispuse la 120 °C.


32

Fig. 39. Pompă de injecție diesel, de ȋnaltă presiune, marca Bosch


Se crează noi tipuri de transmisii mecanice de putere, de la motor la roțile autovehiculului, dar se reproiectează și angrenajele legate direct de motor (anexe), cȃt și cele care lucrează in interiorul lui (vezi fig. 40).




33

Fig. 40. Motor termic cu ardere internă modern (model 2012-2013)

Deși uriaș și puternic, motorul este totuși compactizat, elementele sunt limitate strict, dimensiunile lor la fel, cu excepția galeriilor, a pistoanelor, a supapelor, a arcurilor, a arborelui de distribuție, și a injectoarelor.

O cilindree mare asigurată nu clasic (prin cursă mare) ci modern (prin diametru foarte mare al pistonului), este coroborată cu o cameră de ardere simplă, compactă, realizȃnd astfel o compresie extrem de ridicată, pentru a putea realiza randamente ridicate și o ardere completă pe seama presiunilor foarte mari din cilindru, separat de factorii de umplere bună (galerii mari) și injecție modernă.

Din păcate nu se poate observa prea bine arborele principal, dar atȃt cȃt se vede, se constată clar faptul că este limitat ȋn lungime, și are o volantă mare (pentru o mai bună uniformizare a momentelor de inerție mecanice).


34

4. Concluzii

Ȋn perspectiva imediată viitorul motorului termic cu ardere internă îl reprezintă scăderea consumului de combustibili utilizaţi (petrolieri), prin proiectarea tot mai modernă a motoarelor termice şi a sistemelor auxiliare, prin utilizarea biocombustibililor a căror necesitate a fost prevăzută de Diesel cu mulţi ani în urmă, dar şi prin construcţia unor soluţii hibride.


Se crează noi tipuri de transmisii mecanice de putere, de la motor la roțile autovehiculului, dar se reproiectează și angrenajele legate direct de motor (anexe), cȃt și cele care lucrează in interiorul lui.



Deși uriaș și puternic, motorul modern este totuși compactizat, elementele sunt limitate strict, dimensiunile lor la fel, cu excepția galeriilor, a pistoanelor, a supapelor, a arcurilor, a arborelui de distribuție, și a injectoarelor. O cilindree mare asigurată nu clasic (prin cursă mare) ci modern (prin diametru foarte mare al pistonului), este coroborată cu o cameră de ardere simplă, compactă, realizȃnd astfel o compresie extrem de ridicată, pentru a putea realiza randamente ridicate și o ardere completă pe seama presiunilor foarte mari din cilindru, separat de factorii de umplere bună (galerii mari) și injecție modernă. Arborele motor este limitat constructiv ȋn lungime, avȃnd totodată o volantă mare (pentru o mai bună uniformizare a momentelor de inerție mecanice).

Principalele avantaje ale supraalimentarii sunt urmatoarele: - reducerea consumului de combustibil – comparativ cu un motor aspirat normal de aceeasi putere vom avea o reducere a consumului de combustibil deoarece se recupereaza energia gazelor de evacuare. Totodata motoarele turbo au o cilindree mai redusa comparativ cu cele aspirate normal de aceeasi putere ceea ce inseamna pierderi prin frecare mai reduse. - reducerea raportului putere/greutate motor – acest raport este superior celui care caracterizeaza motoarele aspirate natural. - puterea motorului nu este afectata de altitudine – odata cu cresterea altitudinii la motoarele aspirate natural puterea este afectata prin reducerea randamentului volumetric al umplerii. La motoarele turbo-supraalimentate refacerea puterii este posibila datorita modificarii regimului de lucru al turbinei.

Cursa pentru hidrogen a început (cel mai sigur vor fi trecute pe hidrogen autobuzele, care oricum se alimentează în general din unul sau câteva puncte comune, din cadrul autogării, sau autobazei lor; ele au şi spaţiul necesar pentru montarea rezervoarelor de hidrogen).

Numai 2-3 km cubi de apă oceanică descompusă în hidrogen şi oxigen ar dona hidrogenul necesar nevoilor anuale mondiale de transport rutier. Ce ar reprezenta acest eventual consum mondial anual de 2-3 km3 din totalul de 1370000000 km3 aparţinând oceanului planetar? Trei km3 faţă de totalul planetar reprezintă 2*10-7 %. Acest procent total nesemnificativ de apă consumată anual s-ar reface chiar în anul respectiv prin faptul că prin ardere hidrogenul produce la loc apă. Ce să mai vorbim de calitatea aerului care nu ar mai fi umplut cu monoxid şi cu dioxid de carbon, de faptul că am putea să-i redăm planetei aerul curat, scuturile refăcute şi clima ei iniţială, blândă şi normală, de faptul că am putea respira din nou normal, noi, copiii şi nepoţii noştri.


35

B i b l i o g r a f i e

[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] Taraza, D., "Accuracy Limits of IMEP Determination from Crankshaft Speed Measurements," SAE Transactions, Journal of Engines 111, p. 689-697, 2002. [13] Wikipedia, the free encyclopedia, History of the automobile. Net.

lucrare de disertaŢie - cornăţeanu (voicu) elena mădălina

Documents