UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTI FACULTATEA DE INGINERIA ŞI MANAGEMENTUL

SISTEMELOR TEHNOLOGICE DEPARTAMENTUL TEORIA MECANISMELOR ŞI A ROBOŢILOR

LUCRARE DE DISERTAŢIE

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor

termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu

ardere internă

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

Absolvent: Gheorghe (Vorovenci) Elena Adriana

BUCUREŞTI 2013

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

2

Deci, cum la o proiectare optimă randamentul sistemului bielă manivelă piston acţionat de la piston se apropie de 100%, iar cel al sistemului acţionat de la manivelă (arborele motor) se situează sub valoarea de 50%, rezultă că cel mai bun sistem cu cilindri este cel care este acţionat permanent de la piston, adică motorul Stirling.

La un motor stirling randamentul mecanic pe tot ciclul energetic (care coincide cu ciclul cinematic) este de circa 80-99,9% în funcţie de modul de proiectare. Randamentul termic (al ciclului Carnot) pentru o funcţionare optimă la temperaturi ridicate (aşa cum s-a văzut în cadrul primului capitol) ajunge la 55-65%.

Rezultă de aici că randamentul total (final) al unui Stirling bine proiectat, cu sursă caldă având temperaturi ridicate, atinge valori cuprinse între 44% şi 65%, cea ce înseamnă foarte mult. Nici un alt motor termic nu mai atinge asemenea valori.

Deoarece unii spun că Stirlingul are randamente mai mici decât Otto sau Diesel, iar alţii dimpotrivă că tocmai randamentul unui Stirling este punctul său forte, este cazul să facem în acest moment o discuţie mai în detaliu. Ce folos că Otto şi Diesel ating un randament termic de circa 65-75% comparativ cu numai 55-65% la motoarele Stirling, dacă randamentul final al unui motor reprezintă produsul dintre randamentul său termic şi cel mecanic, iar în privinţa randamentului mecanic un Stirling în patru timpi, bine proiectat, poate atinge teoretic 99,999% (adică practic 100%), în vreme ce un Diesel sau Otto în patru timpi, va realiza practic un randament mecanic de cel mult 56% [(3*45%+90%):4], astfel încât randamentul total (final) al unui Otto sau Diesel va fi de numai circa 39% (56*70), cu mult sub cel maxim al unui Stirling, 65%. Să mai amintim că multă vreme motoarele Otto sau Diesel au funcţionat cu randamente finale de numai 12-20%, şi cu mare greutate

s-au ridicat la randamente finale de 25-30%, în vreme ce motoarele stirling atingeau cu ușurință 50-65%.

Totuşi motoarele în V sunt în stare să atingă randamente totale mai mari. Cu un randament mecanic de circa 70% şi unul termic maxim de 75%, un MOTOR Otto ori Diesel în V poate atinge un randament final de circa 52-53%.

Constructiv, trebuie adoptată o variantă de cilindru cu piston având cursa pistonului cât mai mică posibil, iar alezajul cât mai mare.

Motoarele stirling moderne, au avantajul că pot fi proiectate să funcționeze la randamente foarte mari. Să zicem că tehnologic motorul stirling modern va avea randamente mecanice de circa

95% (lucru ușor de realizat astăzi), iar temperatura sursei calde va permite un randament Carnot

de circa 80-85%, vom construi astfel motoare termice stirling (cu ardere externă) ce vor funcționa

cu randamente efective de circa 80%. Asemenea randamente nu s-au mai ȋntȃlnit decȃt la

angrenajele cu roți dințate, și ar mai fi eventual posibile la mecanisme cu cruce de Malta

proiectate rațional.

Sigur că randamentele reale ale celor mai moderne motoare termice cu ardere internă nu

vor putea depăși teoretic valoarea de 50%, dar chiar și așa ele rămȃn ȋn continuare favorite

datorită robusteții, compactității și dinamicii lor.

Vorovenci Adriana Masterand Campulung-Muscel 2012-2013

3

CUPRINS

Scurtă descriere.............................................................................................................................. 02

Cuprins............................................................................................................................................. 03

Cap 1. Introducere...................................................................................................... ................... 04

Cap 2. Motoare termice cu ardere internă................................................................ ............... 04

2.1 Clasificarea motoarelor cu ardere interna............................................... .......................... 05

2.2 Caracteristicile motoarelor cu ardere internă..................................................................... 08

Cap 3 .Motoare termice cu ardere externă ................................................................................ 09

3.1.Clasificarea motoarele cu ardere externă........................................................................... . 10

Cap 4 Determinarea randamentului mececanic ................................................................. 20

4.1 Cinematica mecanismului bielă manivelă piston................................................................ 20

4.2 Determinarea randamentului mecanic al sistemului bielă manivelă piston,

atunci când acesta lucrează în regim de motor, fiind acţionat de către piston...................... 22

4.3 Determinarea randamentului mecanic al sistemului bielă manivelă piston,

atunci când acţionarea lui se face dinspre manivelă.................................................................. 26

Discuții și concluzii finale .......................................................................................... ... 31

Bibliografie....................................................................................................................................... 32

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

4

1.Introducere

Un motor termic este o mașină termică motoare, care transformă energia termică în lucru mecanic având la bază un ciclu termodinamic realizat cu ajutorul unui fluid.

La baza funcționării unui motor termic stă principiului al doilea al termodinamicii,conform

căruia doar o parte a căldurii preluate de la sursa de căldură (numită și sursa caldă) este transformată în lucru mecanic, restul de căldură este transferat unui sistem cu temperatură mai mică, numit sursă rece.

Clasificarea motoarelor termice:

Motor cu ardere internă, la care sursa de căldură este un proces de combustie suferit chiar de fluidul supus ciclului termodinamic:

motor cu ardere internă cu piston

motor Wankel

turbină cu gaze

motor rachetă

statoreactor

pulsoreactor

Motor cu ardere externă, la care sursa de căldură este externă fluidului ce suferă ciclul termodinamic:

motor cu abur

turbină cu abur

motor Stirling

motor Cyclon

2. Motorul cu ardere internă

Este motorul care transformă energia chimică a combustibilului prin intermediul energiei

termice de ardere, în interiorul motorului, în energie mecanică. Căldura degajată în camera de

ardere se transformă prin intermediul presiunii (energiei potențiale) aplicate pistonului în mișcare

mecanică ciclică rectilinie, după care în mișcare de rotație uniformă, obținută de obicei la

arborele cotit. Camera de ardere este un reactor chimic unde are loc reacția chimică de ardere.

Căldura introdusă în ciclul care se efectuează în cilindrii motorului se obține prin arderea combustibilului, de obicei un combustibil lichid ca: benzina, motorina sau gazul petrolier

lichefiat, dar se pot folosi și combustibili gazoși sau solizi , precum gazul natural și praful

de cărbune. Oxigenul necesar arderii se obține din aerul atmosferic. Combustibilul în amestec cu

aerul se numește amestec carburant. Arderea poate fi inițiată, prin punerea în contact direct a amestecului carburant cu o sursă de căldură, sau se poate produce aproape instantaneu, în toată

masa amestecului, caz în care se numește detonație și are un caracter exploziv.

Prin arderea carburanților rezultă diferite produse de ardere cu o temperatură de aproximativ 2000 °C. Majoritatea acestor produse se prezintă sub formă gazoasă. Pentru o ardere completă se

Vorovenci Adriana Masterand Campulung-Muscel 2012-2013

5

asigură combustibilului o cantitate de oxigen dozată astfel încât să producă oxidarea integrală a elementelor sale componente [6-7].

2.1 Clasificarea motoarelor cu ardere internă

Din punctul de vedere al obținerii lucrului mecanic, aceste motoare se clasifică în:

motoare cu ardere internă cu piston, cu mișcarea liniară a pistonului, sau rotative;

motoare cu reacție.

La turbinele cu gaze, denumirea de motor se folosește doar pentru cele folosite în aviație, când se

discută despre întregul motor, adică toate părțile lui, în care se execută ciclul termodinamic, nu doar la discul paletat.

Motoarele cu ardere internă rotative sunt utilizate pe scară mai redusă datorită problemelor

tehnologice mari și a fiabilității mai scăzute. Cel mai cunoscut tip de motor cu combustie internă

rotativ este motorul Wankel, dar există și alte soluții, de exemplu cu pistoane în foarfece, sau cu diferite alte sisteme.

După natura combustibilului

motoare la care se întrebuințează drept combustibil benzina, au carburator sau pompă de

injecție.

motoare la care se întrebuințează drept combustibil motorina, au pompă de injecție.

motoare cu gaz la care se întrebuințează drept combustibil un combustibil gazos, de obicei gaz natural sau un amestec de combustibili.

Fig.2.1 Motor cu piston în 4 timpi( functionare).

După numărul de curse simple efectuate de piston într-un ciclu (sau numărul de timpi)

motoare în patru timpi;

motoare în doi timpi.

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

6

Fig.2.2 Motor ȋn patru timpi si ȋn doi timpi

După spațiul producerii amestecului carburant

Motoare cu formarea în exteriorul cilindrului a amestecului carburant. Este cazul motoarelor

cu carburator, injecție de benzină în conducta de aspirație și al motoarelor cu gaze cu instalație de formare externă a amestecului aer-combustibil.

Motoare cu formarea în cilindru a amestecului carburant. Din această categorie fac parte

motoarele cu injecție de combustibil cum sunt motoarele Diesel sau și unele motoare cu

aprindere prin scânteie și motoarele cu gaze la care combustibilul gazos este introdus în cilindru

printr-o supapă aparte în timpul aspirației. [13]

După felul aprinderii amestecului carburant

epede până la presiunea de 30 - 40 daN/cm³ și temperatura de 1800 – 2.000 °C. Datorită

presiunii gazelor din cilindru, care acționează asupra pistonului, acesta se deplasează spre PMI (punctul Motor cu aprindere prin scânteie (prescurtat MAS).

După admisia și comprimarea amestecului carburant în cilindrii motorului, în apropierea PMS (punctul mort superior) al pistonului, are loc aprinderea. Aceasta se realizează prin producerea unei scântei între electrozii bujiei, care aprinde amestecul carburant. Arderea are loc într-un

interval de timp relativ scurt, în care presiunea și temperatura gazelor din cilindru cresc r mort

inferior), și rotește prin intermediul sistemului biela-manivela, arborele motor. Această cursă a

pistonului, se mai numește și cursă activă sau cursă motoare.

Motor cu aprindere prin comprimare (prescurtat MAC sau Diesel). La sfârșitul compresiei, combustibilul este introdus sub presiune în cilindru, fiind pulverizat foarte fin cu ajutorul injectorului, montat în chiulasă. Datorită contactului cu aerul fierbinte din interiorul cilindrului,

particulele pulverizate se aprind și ard, iar presiunea din cilindru crește, moderat, menținându-se relativ constantă pe durata arderii. Gazele rezultate în urma arderii apasă asupra pistonului,

Vorovenci Adriana Masterand Campulung-Muscel 2012-2013

7

determinând deplasarea acestuia spre PMI, efectuând cursa activă. Supapele rămân închise până

aproape de sfârșitul acestei curse.

După așezarea cilindrilor sunt

motoare cu cilindrii în linie ( Fig 2.3).

motoare cu cilindrii în V.( Fig.2.4)

motoare cu cilindrii în W.(Fig2. 5)

motoare cu cilindrii și pistoanele opuse, boxer.

motoare înclinate, la care cilindrii au axele situate în același plan, însă înclinat față de planul vertical.

motoare cu cilindrii așezați în stea, utilizate cu precădere unde este nevoie de un raport

putere/greutate mare, de exemplu în aviație și în marina militară (vedete).

Motoare cu cilindrii în „Δ” Delta, Napier Deltic-motoare folosite la căile ferate și vapoare

englezești.

Fig.2.3 Motor cu cilindrii în linie

Fig.2.4 Motor cu cilindrii în V de raliu Mercedes

Fig 2.5. Motor cu cilindrii opuși boxer Volkswagen 1945[2] boxer H-16

Fig.2.6 Motor cu cilindrii în linie alături în U „King-Bugatti U16

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

8

2.2. Caracteristicile motoarelor cu ardere internă

Un motor cu ardere internă este caracterizat printr-o serie de parametri:

Punct mort interior (PMI) și reprezintă poziția pistonului care corespunde volumului minim

ocupat de fluidul motor în cilindru. La motoarele cu mecanism bielă-manivelă, arbore cotit și

chiulasă poziția pistonului se găsește la cea mai mare distanță posibilă față de axa arborelui cotit;

această poziție coincide cu distanța minimă a pistonului față de chiulasă și este determinată de montajul pistonului în ansamblul mecanismului bielă-manivelă [6].

Punct mort exterior (PME) reprezinta poziția pistonului care corespunde volumului maxim

ocupat de fluidul motor în cilindru. La motoarele cu mecanism bielă-manivelă, arbore cotit și

chiulasă este poziția pistonului când aceasta se găsește la cea mai mică distanță posibilă față de

axa arborelui cotit; această poziție coincide cu distanța maximă a pistonului față de chiulasă și este determinată, de asemenea, de montajul pistonului în ansamblul mecanismului bielă-manivelă.

Cursa pistonului reprezintă distanța dintre punctul mort interior și punctul mort exterior. Pentru motoarele cu mecanism bielă-manivelă cu excentricitate nulă fiecare cursă a pistonului

corespunde unei rotații de 180° a arborelui cotit și este echivalentă cu diametrul cercului descris de axa geometrică a fusului maneton în jurul axei geometrice a fusurilor paliere [3].

Alezajul cilindrului este diametrul interior al cilindrului motor.

Volumul minim al camerei de ardere este volumul ocupat de gaze când pistonul se află la PMI.

La motoarele cu cilindru și chiulasă este spațiului cuprins între fundul pistonului, peretele

interior al cilindrului motor și chiulasă, în momentul când pistonul se găsește în punctul mort inferior.

Cilindreea unitară - reprezinta volumul generat prin deplasarea pistonului în timpul unei curse.

Cilindreea totală - reprezinta suma cilindreelor unitare ale tuturor cilindrilor unui motor.

Volumul total al cilindrului reprezintă volumul maxim ocupat de gaze măsurat când pistonul se află la PME; volumul total al cilindrului este format din însumarea cilindreei unitare cu volumul camerei de ardere.

Raportul de comprimare reprezinta raportul dintre volumul total al unui cilindru și volumul camerei de ardere:

În notația curentă, raportul este exprimat sub formă de fracție zecimală.

Turația motorului reprezinta numărul de rotații efectuat într-un minut de arborele cotit, în

timpul funcționării motorului într-un regim constant dat.

Ciclul motor reprezintă transformarile ciclice ce au loc în cilindrul unui motor. El începe cu

procesul de admisie și se termină cu procesul de evacuare. Într-un minut un motor efectuează cicluri [6].

Un timp al motorului reprezintă partea de ciclu motor care se efectuează o cursă a

pistonului. La motoarele cu excentricitate nulă fiecare timp din funcționarea motorului

corespunde unui unghi de rotire a arborelui de 180°. Se construiesc motoare (care funcționează

Vorovenci Adriana Masterand Campulung-Muscel 2012-2013

9

după un ciclu) în patru timpi ( ) și motoare în doi timpi ( ). Se cunosc și motoare în șase timpi [6].

Cu numărul de timpi, legătura dintre numărul de cicluri și turație este:

Lucrul mecanic indicat (sau lucrul mecanic ciclic) efectuat în cilindrul unui motor de gazele

de ardere în timpul unui ciclu și preluat de piston se poate determina prin analiza diagramei indicate, ridicate cu aparatul numit indicator. Lucrul mecanic indicat se poate exprima ca

produs dintre presiunea medie indicată și cilindreea unitară [3].

[ J ]

cu exprimată în bar și în litri.

Puterea indicată a unui motor este suma lucrului mecanic indicat produs în toți cilindrii săi într-

o secundă. Dacă cilindrii sunt identici (cazul obișnuit):

[ kW ]

Puterea livrată de motor la cuplă (ambreiaj) este numită putere efectivă și depinde de randamentul mecanic al motorului ( ):

[ kW ]

3.MOTOARELE CU ARDERE EXTERNĂ

Motorele cu ardere externă sunt mașini termice în care energia internă a agentului termic, încălzit în prealabil într-un generator extern (generator de abur, cameră de combustie) sau de o sursă externă prin peretele motorului sau printr-un schimbător de căldură, este transformată în lucru mecanic.

Din categoria motoarelor cu ardere externă fac parte:

Motorul cu aburi

Motorul Stirling

Turbinele

Motoarele cu reacție

Motoare Cyclon

Tot ca motor cu ardere externă poate fi considerată turbina cu abur, însă în terminologia folosită în România niciodată turbinei cu abur nu i s-a spus „motor”.

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

10

3.1 Clasificarea motoarelor cu ardere externă

Fig.3.1 Motor cu aburi cu dublă acționare

Fig.3.2 Maşina lui James Watt.

Fig 3.3 Motor cu abur orizontal.

Motorul cu aburi este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică a aburului în lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs într-un generator de

abur prin fierbere și se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru

mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mișcare care de cele mai multe ori este transformată în

mișcare de rotație cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se

obține din arderea unui combustibil classic, sau prin fisiune nucleară, ori alte surse moderne.

Motoarele cu abur au dominat industria și mijloacele de transport din timpul Revolutiei industriale

până în prima parte a secolului al XX-lea, fiind utilizate la acționarea locomotivelor, vapoarelor,

pompelor, generatoarelor electrice, mașinilor din fabrici, utilajelor pentru construcții (excavatoare) și a

altor utilaje. A fost înlocuit apoi, în majoritatea acestor aplicații de motorul cu ardere internă și sau de cel electric.

Mașina lui Watt, inventată în 1769, aburul trecea într-o cameră separată pentru condensare. Deoarece

cilindrul nu era încalzit și răcit alternativ, pirderile de căldură ale mașinii erau relativ scăzute. De

asemenea, mașina lui Watt era mai rapidă. Aceste soluții și diversele îmbunătățiri concepute de Watt

au făcut ca mașina cu aburi să poată fi folosită într-o gamă largă de aplicații.

În perioada victoriana, locomotive cu abur puternice revoluționaseră deja călătoria pe uscat. Mașinile

cu abur au făcut posibile și tipărirea ziarelor, torsul și țesutul textilelor și acționarea mașinilor de

spălat în „spălătoriile cu aburi”. Mașinile cu abur puneau în mișcare caruselele, iar unii fermieri

foloseau energia aburului pentru a ara pămîntul. Antreprenorii de curățătorii aveau aspiratoare cu

Vorovenci Adriana Masterand Campulung-Muscel 2012-2013

11

abur, și la cele mai bune frizerii din orașe existau chiar și perii pentru masarea capului acționate cu

abur.

Motorul Stirling definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ.El funcționează

prin utilizarea unei surse de căldură externe și a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind

menținut în limite de temperatură prestabilite și o diferență de temperatură suficient de mare între ele.

În procesul de transformare a energiei termice în lucru mecanic, dintre mașinile termice motorul Stirling poate atinge cel mai mare randament, teoretic până la randamentul maxim al ciclului Carnot,

cu toate că în practică acesta este redus de proprietățile gazului de lucru și a materialelor utilizate cum

ar fi coeficientul de frecare, conductivitatea termică, punctul de topire, rezistența la rupere,

deformarea plastică etc. Acest tip de motor poate funcționa pe baza unei surse de căldură indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solară, chimică, nucleară, geotermală, etc.

Fig. 3.4. Secţiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic

1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuşiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolaţie termică ce separă capetele celor doi cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) - volanţi,

Ciclul Stirling ideal este un Ciclu termodinamic cu două izocore și două izoterme. Este ciclul

termodinamic cel mai eficient practic realizabil, eficiența sa teoretică egalând-o pe cea ipotetică a

unui ciclu Carnot. Cu toate acestea probleme de ordin tehnic reduc eficiența în realizare – un

mecanism mai simplu fiind avantajat față de o realizare a unui ciclu apropiat celui teoretic. Pe de altă

parte realizarea unui randament termic mai ridicat la motoarele Stirling implică și cerința existenței

unui diferențe de temperatură cât mai mari posibile între cele două surse diferite utilizate (cea caldă

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

12

și cea rece); un gradient de temperatură de circa 700-800 grade se poate realiza în general destul de

ușor și frecvent, (el fiind o condiție minimală pentru realizarea unui randament termic ridicat de

circa 60-80%); la motoarele cu ardere externă avantajul realizării acestei diferențe de temperatură

minimale cerute, în mod automat, și chiar și mai mare (deoarece însăși temperatura rezultată din

ardere atinge frecvent aceste valori și chiar mult mai mari), aduce motoarelor termice cu ardere externă un randament termic ridicat de 70-80%, dar la ele randamentul mecanic fiind în general mult mai scăzut, face ca randamentul (final, total) să fie mai scăzut; astfel pentru un motor cu ardere externă cu un randament mecanic mediu de circa 20-40% având un randament termic (Carnot) maxim de circa 80%, randamentul final al motorului cu ardere externă rezultă undeva la circa 16-32% [11].

La motoarele termice cu ardere externă Stirling, la care se realizează ușor un randament mecanic

de circa 90-95%, pentru a avea un randament final cât mai ridicat, trebuie ca și randamentul termic

(Carnot) realizat să fie cât mai mare posibil; dacă asigurăm deci o diferență de temperatură între cele

două surse diferite (caldă și rece) de minim 800 grade, se pot atinge randamente termice de circa 80%, astfel încât randamentul final al motorului Stirling să fie de circa 72%-76% [11].

În realitate însă lucrurile nu au stat așa de „roz” nici cu motoarele Stirling, deoarece atingerea

unei temperaturi de minim 800 grade Celsius la sursa caldă este dificilă și astăzi (pentru arderea

combustibililor în condiții normale), în general temperatura maximă atinsă de combustibilii clasici la o ardere externă (fără presiune) fiind de 5270 C; La aceste diferenţe de temperatură mici randamentul Carnot este de cca 66 % şi se situează astfel mult sub cel al motoarelor cu ardere internă uzuale. Motoarele cu ardere internă ating frecvent temperaturi de 727 [0C] (1000 [0K]), pentru care randamentul energetic al ciclului Carnot este de circa 76%. Cu un randament mecanic de circa 90%

(care nu se realizează chiar ușor pentru orice motor Stirling) și un randament Carnot uzual de 66%,

randamentul final al motorului Stirling va fi de circa 55-60%. Tot ar fi și acesta ușor superior celui

cu ardere internă (în general) dacă s-ar putea realiza constructiv dar și funcțional, în mod efectiv, cei

90-95% pentru randamentul mecanic al motorului stirling, dar acest lucru nu a fost în general realizat, astfel încât randamentele finale ale motoarelor Stirling au fost în general de numai 20-50%,

sau chiar și mai mici. Utilizarea lor cu un gradient de temperatură de numai 30-40 grade, realizând un randament Carnot de circa 0.1% (1 la 1000), adică practic un randament termic apropiat de zero,

astfel încât motoarele Stirling ar funcționa, dar cu pierderi uriașe de putere și energie. Un motor

termic cu ardere internă poate atinge ușor în funcționare temperatura de 800-900 și chiar 1200 grade

Celsius, aducând astfel un randament termic de 80-85, și chiar 90%. Dacă luăm un motor cu ardere

internă în V, bine echilibrat și construit, acesta ar putea realiza un randament mecanic de circa 60%,

iar în condițiile unei arderi la temperaturi ridicate, s-ar putea realiza un randament Carnot de circa

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

13

85% atingându-se astfel un randament real final de circa 50%. Acum putem trage linie și să vedem de ce s-au extins motoarele cu ardere internă în ultimii 150 ani, în detrimentul celor cu ardere

externă. Motoarele cu ardere internă atingeau efectiv randamente finale între 25 și 50%, în vreme ce

motoarele stirling având de multe ori surse de căldură reduse (ca temperatură) abia dacă funcționau cu randamente de 10-20% (în general erau chiar mai mici).

Pe de altă parte, motoarele termice cu ardere internă deși au avut și pierderi suplimentare de

circa 25-30% din puterea lor datorită mecanismelor de distribuție [1-12], tot au fost preferate motoarelor Stirling sau cu aburi, deoarece la motoarele Stirling randamentul era prea mic datorita temperaturilor scăzute ale unor arderi externe de slabă calitate, iar motoarele cu aburi datorită

presiunii mari din cazane și a materialelor proaste plus a tehnologiilor de fabricație învechite

explodau frecvent producând grave accidente de muncă, și mari pagube.

Clasificarea motoarelor Stirling

Motoarele Stirling sunt dotate cu un sistem complet închis, în care gazul de lucru (de obicei aer,

dar, uneori, heliu sau hidrogen) este încalzit si răcit alternativ prin trecerea gazului în locații diferite de temperatură în cadrul sistemului.

Ingineria clasifică împarte motoarele Stirling în trei tipuri distincte. Tipul Alfa se referă la cazul

când doi sau mai mulți cilindri separați, de diferite temperaturi, sunt legați între ei. Tipul Beta și Gama utilizează un piston de refulare pentru a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură

cald și cel rece situate in același cilindru.

Alfa Stirling

Un motor de tip Alfa Stirling conține două pistoane de lucru, unul cald și altul rece, situate separat

în câte un cilindru. Cilindru pistonului cald este situat în interiorul schimbătorului de căldură de

temperatură înaltă iar cel al pistonului rece în schimbătorul de căldură de temperatură scăzută. Acest

tip de motor are o putere litrică foarte mare dar prezintă dificultăți tehnice din cauza temperaturilor

foarte mari din zona pistonului cald și a etanșării sale.

Funcționarea motorului Alfa Stirling poate fi descrisă în patru timpi:

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

14

Timpul 1: Cea mai mare parte a gazului de lucru este în contact cu peretele cilindrului cald;

ca urmare se încălzește mărindu-și volumul și împingând pistonul spre capătul cilindrului.

Dilatarea continuă și în cilindrul rece al cărui piston are o mișcare defazată cu 90° față de

pistonul cilindrului cald, însoțită de extragere în continuare de lucru mecanic.

Timpul 2: Gazul de lucru a ajuns la volumul maxim. Pistonul în cilindrul cald începe să

împingă cea mai mare parte din gaz în cilindrul rece unde pierde din temperatura acumulată și

presiunea scade.

Timpul 3: Aproape toată cantitatea de gaz este în cilindrul rece și răcirea continuă. Pistonul

rece, acționat de momentul de inerție al volantului sau o altă pereche de pistoane situate pe

același arbore comprimă gazul.

Timpul 4: Gazul ajunge la volumul minim și pistonul din cilindrul cald va permite

vehicularea spre acest cilindru unde va fi încălzit din nou și va începe cedarea de lucru mecanic

către pistonul de lucru.

Beta Stirling

Acest tip de motor Stirling, cunoscut sub numele de configurația beta, prezentat printr-un singur

cilindru, cu un capăt fierbinte și unul rece.Gazul de lucru este transferat de la un capăt al cilindrului la altul de un dispozitiv numit piston (ilustrat in albastru).Piston este un piston mare, cu un diametru mai mic decât cilindru, nu modifică volumul de gaz .

Motoare Beta Stirling

Funcționarea motorului Beta Stirling poate fi descrisă în patru timpi:

Timpul 1->2: Gazul de lucru este încălzit în zona caldă a cilindrului, pe baza absorbției de

energie termică de la sursa caldă. Prin încălzire gazul de lucru se dilată. În urma acesteia pistonul

de refulare este împins înainte. Odată cu mișcarea pistonului de refulare se va mișca și pistonul

de lucru. Cele două pistoane se mișcă defazat cu 90°. Prin urmare în primul timp pistonul de

refulare va avea o cursă nesemnificativă (proiecția lungimii manivelei pe orizontală). În acest

timp pistonul de lucru cedează lucru mecanic volantului.

Timpul 2->3: Volantul se mișcă datorită momentului de inerție mai departe. Pistonul de

refulare împinge acum gazul de lucru din zona caldă în zona rece unde se va răci. De cele mai

multe ori pistonul de lucru preia și rolul regeneratorului: preia o parte din căldura gazului de

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

15

lucru ce curge din zona caldă spre cea rece. În zona rece gazul de lucru va fi răcit cu ajutorul

unui radiator de răcire cu aer sau prin mantaua cilindrului răcit cu ajutorul apei. Poziția

pistonului de lucru se schimbă în această fază foarte puțin. Presiunea în interior scade datorită

răcirii.

Timpul 3->4: La motoare Stirling cu presiune internă mare în această fază are loc o

compresie, pe când la cele cu presiune internă mică poate avea loc încă cedare de lucru mecanic

în timp ce presiunea atmosferică acționează asupra pistonului de lucru. În caz contrar, în timpul

compresiei este nevoie de un aport de lucru mecanic, care se preia din momentul de inerție al

volantului. La acest timp poziția pistonului de refulare se schimbă doar foarte puțin.

Timpul 4->1: Volantul se învârte în continuare și prin aceasta pistonul de refulare se va

deplasa în sus. Acest lucru are ca rezultat trecerea gazului din zona superioară rece în zona

inferioară caldă (încălzire). Regeneratorul cedează gazului de lucru căldura înmagazinată în

timpul 2 preîncălzindu-l. Ciclul se reia de la început.

Gama Stirling

Un motor de tip Gama Stirling este un Beta Stirling la care pistonul de lucru este montat într-un

cilindru separat alăturat de cilindrul de refulare, dar este conectat la același volant. Gazul din cei doi

cilindri circulă liber între aceștia. Această variantă produce o rată de compresie mai mică dar este

constructiv mai simplă și adeseori este utilizat în motoare Stirling cu mai mulți cilindri.

Motoare Gama Stirling

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

16

Funcționarea motorului Gama Stirling poate fi descrisă în patru timpi:

Timpul 1: În timpul acestei faze pistonul de lucru efectuează o cursă minimă, volumul total

este minim. În schimb pistonul de refulare efectuează o cursă lungă și gazul de lucru se

încălzește.

Timpul 2: Pistonul de refulare are o cursă scurtă, pe când pistonul de lucru efectuează mai

mult de 70% din cursa sa totală. El generează energie mecanică.

Timpul 3: Pistonul de refulare efectuează cea mai mare parte din cursa sa: gazul este răcit.

Pistonul de lucru are o cursă scurtă.

Timpul 4: Pistonul de refulare rămâne în partea superioară a cilindrului: gazul este complet

răcit. Față de acesta pistonul de lucru parcurge cea mai mare parte a cursei sale: comprimă gazul

și cedează lucru mecanic în acest scop.

Transformări ce au loc intr-un motor

Diagrama p-V al procesului Stirling

Gazul de lucru este supus unui ciclu de dilatări și comprimări compus din două transformări izoterme și

două transformări izocore. Se utilizează următoarele prescurtări: = Cantitate de căldură , lucru mecanic în J

= Masa gazului în mol

= Capacitatea calorică molară la v=const. in J/mol = Constanta universală a gazului în J mol-1 K-1

= Temperatura superioară și inferioară în K

= Volumul în punctul mort superior în m³

= Volumul în punctul mort inferior în m³

Timp 1 1-2 pe grafic este o destindere izotermă în cursul căreia gazul efectuează lucru mecanic asupra mediului. Căldura absorbită Q și lucrul mecanic efectuat L12 sunt legate prin formula:

Timp 2 2-3 pe grafic este o răcire izocoră în cursul căreia prin cedare de căldură către regenerator gazul este adus în starea inițială. Căldura cedată se determină cu formula:

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

17

Timp 3 3-4 pe grafic este o comprimare izotermă în cadrul căreia lucrul mecanic necesar modificării volumului L34 este egal cu căldura cedată. Q0

Timp 4 4-1 pe grafic este o incălzire izocoră în cursul căreia căldura absorbită în timpul 2 de către regenerator este cedată gazului, valoarea acesteia fiind:

Lucrul mecanic util

Bilanţ energetic

Lucrul mecanic util este reprezentat în diagrama p-V de mai sus de suprafața închisă de curba ciclului, pe când în diagrama T-s (entropie-temperatură) ca rezultat al diferenței dintre energia calorică absorbită și cea cedată. Lucrul mecanic util este reprezentat și în bilanțul energetic din schița alăturată:

energia absorbită = energia cedată

Utilizând formulele de mai sus pentru Q și

Q0 rezultă: ;

având Se obține formula pentru lucrul mecanic:

Motorul Cyclon

Uniunea Europeana a aprobat un patent al companiei americane Cyclone Power Technologies pentru un motor pe aburi, modern, care foloseste o camera de ardere externă, nu una internă cum

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

18

au motoarele pe benzina si diesel actuale. Propulsorul poate fi montat pe mașini, nave si poate fi

utilizat in alte diverse aplicații.

Cyclone Power Technologies este o companie de cercetare & dezvoltare axat pe sprijinirea rezolve

două dintre marile probleme ale timpului nostru: dependența noastră de combustibilii fosili, precum

și consecințele care decurg nesustenabile la mediul nostru.

Motorul poate utiliza orice fel de combustibil si poate fi folosit pentru propulsarea automobilelor, generatoarelor si instalatiilor termale.

Acest motor cu combustie externa face o legatură între ciclul motorului Rankine, Diesel si Carnot. Motorul Ciclon este conceput in jurul principiilor motorului cu ardere externa pentru a folosi in

mod eficient orice combustibili lichizi sau gazoși și de a crea mai multă putere si in mod semnificativ

mai puține emisii poluante decât o fac în prezent motoarele cu ardere internă pe benzină sau motorină. Ciclonul raspunde la problemele legate de marime, coplexitate si presiunile mari de gaze

care a ținut în loc motorul Stirling în a deveni practic. Motorul este scalabil în dimensiune si poate fi

utilizat pentru aplicații de la mici generatoare si echipamente, către dimensiuni medii incluzând

autoturisme, bărci, camioane ușoare si pană la scara mare cum ar fi camioane grele, vapoare

comerciale, mașinării pentru construcții.

Motor Cyclon

Modul de funcționare

Procesul de incălzire

1. Combustibilul este atomizat și injectat în camera de ardere centrifugală (partea superioară a

fotografiei), unde o scânteie aprinde amestecul aer-carburant, iar flacara obținută se invarte în jurul

unei bobine în mișcare. Niște termocuple controlează durata combustiei și mentin camera de ardere la o temperatură constantă.

2. Apa din bobina se supraincălzește în maximum cinci secunde de la pornirea motorului și este ulterior condusă spre cilindri, unde trece printr-o valvă specială. Mecanismul de temporizare al supapei respective stabileste cât abur intră în cilindri. Cu cât supapa stă deschisă mai mult, cu atât

crește puterea si cuplul motorului.

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

19

Procesul mecanic

3. Abururul actionează șase cilindri amplasați radial. Apa este așadar și combustibil și lubrifiant, nefiind utilizat ulei de motor. Datorită modului în care este concepută valva, motorul poate porni fară un demaror (electromotor).

4. Mișcarea pistoanelor este transferată unui arbore cotit. Datorită puterii si cuplului disponibile

instant, motorul poate fi utilizat fară sisteme de transmisie pe unele aplicații (mașini de taiat iarbă, generatoare).

Procesul de racire

5. Aburul iese din cilindri prin niște locașuri special concepute pentru evacuare si patrund în sistemul de condensare unde se transformă iar în apă. Sistemul este cu circuit închis, deci nu este necesară completarea cu apă sau înlocuirea acesteia.

6. Niște suflante aduc aer proaspăt și accelerează procesul de răcire.

Procesul de regenerare

7. Aerul fierbinte din condensator se întalnește parțial cu cel rece, asigurând atât preincălzirea celui

proaspat (pentru a intra în camera de ardere cu o temperatură optimă), cât și răcirea sistemului de

eșapament.

8. O pompă de mare presiune duce apa din recipientul colector către bobine, prin intermediul unei conducte spiralate din jurul fiecărui cilindru. Odată ajunsă iar în bobine, apa reia ciclul pentru a

asigura funcționarea ansamblului.

Cyclon Heli 2000 motor fără perii este conceput pentru elicoptere RC electrice. Folosind o baterie

de 5 celule Lipo, la un consum de energie de 35 de amperi, acest motor poate acoperi cu usurință modele, cu un diametru al rotorului de 100 cm la 125 cm.Gama de motoare utilizează Principiul

NFS (Noro Fabrice System) în procesul de fabricație și permite motorului să atingă o putere considerabilă la o greutate foarte mică. Acest motor Cyclon are o putere de înregistrări a raportului

fată de greutate, poate dezvolta 600 W putere continuă și mai mult de 900W putere la vârf la o greutatea de doar 160 g.

Motor Cyclon Heli 2000

Motorul Cyclon este capabil de a rula pe aproape orice combustibil (sau combinație de

combustibili), inclusiv combustibili bio, în timp ce emit poluanți mult mai puțini decât traditionalele motoare pe gaz , diesel (motoare cu ardere internă). Până în prezent, Cyclon are peste 1.000 de ore

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

20

de funcționare și a obținut randamente termice verificate peste 30%, și este foarte aproape de a pune

primul dintre aceste modele de motoare în producția la scară mică comercială.[13]

4.DETERMINAREA RANDAMENTULUI MECANIC

Provocările din ultimul deceniu legate de schimbarea climei, securitatea aprovizionării cu energie şi competitivitate necesită o schimbare profundă in ceea ce priveşte sursele de alimentare cu energie, modul in care energia se livrează şi se consumă. Există o necesitate imperioasă de a promova sursele distribuite/descentralizate de producere a energiei, precum şi sursele de energii regenerabile.

Pentru a putea face o compareție intre randamentele motoarelor cu combustie interna și cele cu

combustie externă trebuie sa luăm în calcul sistemul de acționare tip bielă manivelă piston , in cazul

celor două tipuri. Atât motoarele cu ardere interna cât și cele cu ardere externa au la bază acest tip de mecanism.

În cazul motoarelor cu ardere internă în patru timpi mecanismul bielă manivelă piston este mecanism motor numai un singur timp (detenta) din totalul celor patru . În ceilalţi trei timpi mecanismul se comportă asemeni unui compresor, el primind puterea (fiind acţionat) dinspre manivelă (arborele cotit) şi împingând pistonul (în cei doi timpi de compresie respectiv evacuare) sau trăgând de el (la admisie). Practic ciclul energetic al motorului în patru timpi este parcurs în două cicluri cinematice complete.

Randamentul mecanismului motor (acţionat de puterea pistonului) diferă de cel al mecanismului compresor (acţionat de la manivelă) .

Din acest motiv se vor studia separat cele două cazuri distincte:

A. Când mecanismul lucrează în regim de motor, fiind acţionat de piston; B. Când mecanismul lucrează în regim de compresor (sau pompă), fiind acţionat de arborele

cotit.

În figura 4.1 se poate vedea schema cinematică a mecanismului bielă manivelă piston. Parametrii constructivi ai mecanismului sunt: r, raza manivelei (sau distanţa de la axul fusului palier la axul fusului maneton); l, lungimea bielei (distanţa de la axul fusului maneton până la axul bolţului pistonului); e, excentricitatea (distanţa de la axul fusului palier la axa de ghidaj a pistonului).

Mecanismul este poziţionat de unghiul, , care reprezintă unghiul de rotaţie şi poziţionare al

manivelei. Biela este poziţionată de unul din cele două unghiuri, sau (a se vedea figura 1). Distanţa de la centrul de rotaţie al manivelei O, la centrul bolţului pistonului B, proiectată pe axa de translaţie a pistonului se notează cu variabila yB.

4.1. Cinematica mecanismului bielă manivelă piston

Se proiectează ecuaţia vectorială a conturului mecanismului pe două axe plane rectangulare Ox şi Oy şi se obţin cele două relaţii scalare de poziţii ale mecanismului, date de sistemul de poziţii 1 (figura 1) [11].

Bylr

elr

sinsin

coscos (1)

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

21

0

0

O

A

B

l

r

e

yB

x

y

P

1

2

3

Fig. 4. 1. Schema cinematică a mecanismului bielă manivelă piston

Se obişnuieşte să se rezolve sistemul de poziţii (1) decuplat, din prima relaţie a sistemului

explicitându-se cosinusul unghiului (conform relaţiei 2), iar din cea de a doua izolându-se deplasarea s a pistonului (conform relaţiei 3).

l

re

coscos

(2)

sinsin lrys B (3)

Prin derivarea sistemului de poziţii (1) se obţine sistemul vitezelor (4).

Bylr

lr

coscos

0sinsin (4)

Din prima relaţie a sistemului (4) se calculează viteza unghiulară , (conform relaţiei 5) iar din

a doua ecuaţie a sistemului de viteze (4) se determină viteza liniară a pistonului By , (relaţia 6):

sin

sin

l

r (5)

coscos lryB (6)

Sistemul vitezelor (4) se derivează la rândul lui, pentru obţinerea sistemului de acceleraţii (7).

Byllr

llr

cossinsin

0sincoscos

22

22

(7)

Din prima ecuaţie a sistemului (7) se calculează acceleraţia unghiulară , (conform relaţiei 8),

iar din a doua ecuaţie a sistemului (7) se determină acceleraţia liniară a pistonului, By , (relaţia 9).

sin

coscos 22

l

lr (8)

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

22

sinsincos 22 lrlyB (9)

Unghiul se exprimă în funcţie de unghiul , conform expresiei (10):

90 (10)

Legăturile între funcţiile trigonometrice de bază ale acestor unghiuri se exprimă prin relaţiile sistemului (11) [11].

cossin

sincos (11)

Sinusul unghiului α, sin , se exprimă cu ajutorul relaţiei (2) şi a celei de a doua egalităţi din sistemul (11), obţinându-se relaţia de forma (12).

l

re

cossin

(12)

Viteza pistonului capătă forma (13), [11].

sin

)sin(

sin

)sin(

sin

)sin(

)cossinsin(cossin

sin

cossincos

coscos

rv

rr

r

rr

lryv

B

BB

(13)

4.2. Determinarea randamentului mecanic al sistemului bielă manivelă piston, atunci când acesta lucrează în regim de motor, fiind acţionat de către piston

Mecanismul bielă manivelă piston lucrează în regim de motor pe perioada unui singur timp din cei patru (sau din cei doi) timpi ai ciclului energetic al mecanismului utilizat la motoarele termice de tip Otto sau Diesel în patru timpi (sau respectiv la motoarele în doi timpi ori de tip Stirling). Timpul

motor are o deplasare corespunzătoare a manivelei de circa 180 grade sexazecimale (aproximativ radieni), când pistonul se mişcă de la punctul mort apropiat către punctul mort depărtat (deci atunci când pistonul se mişcă între două poziţii extreme ale sale, dar în mod obligatoriu de la volumul minim către volumul maxim al spaţiului de lucru al cilindrului respectiv – a se vedea figura 2), manivela plecând de la poziţia a (în prelungire cu biela) şi ajungând în poziţia b (suprapusă peste bielă); acesta este timpul motor al ciclului energetic.

La motoarele de tip Otto, sau Diesel ciclul energetic conţine două cicluri cinematice (este marele dezavantaj al acestor motoare), pe când la motoarele Lenoir, Stirling, Wankel, Atkinson ciclul energetic se suprapune cu cel cinematic (marele avantaj al acestor motoare) .

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

23

1

y

0

0

O

AI

BI

l

r

eP

1

2

3

I

I I

y

0

0

O

AII

BII

l

re

P

2

3

II

II

l-r

xx

l+r

II

l

near dead point

distant dead point

a - the crank is in prolonging

with the connecting-rodb - the crank is overlapped

on the connecting-rod

Fig. 4.2. Schemele cinematice ale mecanismului motor în poziţiile extreme; a) când manivela este în prelungirea bielei, b) când manivela se suprapune peste bielă

Pentru a determina randamentul mecanismului bielă manivelă piston atunci când lucrează pe post de motor, este necesară determinarea distribuţiei forţelor din mecanism mergând de la piston către manivelă (a se urmări figura 3).

Forţa motoare, consumată, (forţa de intrare) Fm, se divide în două componente: 1) Fn – forţa

normală (orientată în lungul bielei); 2) F – forţa tangenţială (perpendiculară în B, pe bielă); a se

vedea sistemul (14); (în figura 3 este negativ, manivelei imprimându-i-se o rotaţie orară).

cossin

sincos

mm

mmn

FFF

FFF (14)

Fn este singura forţă ce se transmite prin intermediul bielei (dea lungul ei) de la B la A (deoarece bara are mişcarea ei caracteristică, generală, de bielă, de roto-translaţie, neavând nici o legătură directă la batiu; când bara are o legătură, o cuplă la elementul fix, ea se transformă din bielă în balansier, şi va putea transmite numai moment; al treilea caz posibil este cel al unei bare ce glisează într-un cilindru care are şi o cuplă de rotaţie cu batiul, realizându-se o cuplă multiplă de rotaţie şi translaţie, caz în care bara va avea o mişcare de bielă transmiţând prin ea dea lungul ei o forţă, dar va exista şi o mişcare de rotaţie în jurul cuplei cu batiul transmiţându-se astfel şi moment).

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

24

0

O

A

B

l

r

e

yB

x

y

P

-

Fm

Fn

F

Fn

Fu

Fc -

-

Fig.4. 3. Forţele din mecanismul bielă manivelă piston, când puterea (forţa motoare) se transmite de la piston spre manivelă

În A, forţa Fn se divide şi ea în două componente: 1. Fu – forţa utilă care este perpendiculară pe manivelă; şi 2. Fc – forţa de compresie sau de întindere, care acţionează în lungul manivelei. A se vedea sistemul (15).

)cos(sin)cos(

)sin(sin)sin(

mnc

mnu

FFF

FFF (15)

Puterea utilă Pu, se poate scrie sub forma (16):

)sin(sin rFrFvFP muAuu (16)

Puterea consumată Pc, capătă forma din expresia (17):

sin

)sin( rFvFP mBmc (17)

Randamentul mecanic instantaneu i, se poate exprima cu ajutorul relaţiei (18):

2

222 )cos(

1cossin

sin

1)sin(

)sin(sin

l

re

rF

rF

P

P

m

m

c

ui

(18)

Pentru a calcula randamentul mecanic , se poate integra expresia randamentului instantaneu

i, de la punctul mort apropiat până la punctul mort îndepărtat, de la I la II (figura 2, sistemul 19).

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

25

)cos(2

)cos(

rl

ea

rl

ea

fII

iI

(19)

Se poate determina mai simplu randamentul mecanic plecând tot de la sistemul (18) dar

utilizând nu variabila cu limitele date de (19), ci variabila , când se cunosc (sau se pot determina)

valorile extreme ale unghiului , M şi m (relaţiile 20-22).

)(2

cossincossin5.0

5.0)(4

)2sin()2sin(

5.04

)2sin()2sin(

]2

)2sin()2sin([

2

1

])2sin(2

1[

2

1

1)2cos(2

1

2

1)2cos(1

cos11 2

mM

mmMM

mM

mM

mM

mM

i

M

m

M

m

M

m

M

m

M

m

d

d

dd

(20)

0

arcsin

m

M

erPentru

l

ererlPentru

(21)

Dezaxarea e reduce randamentul, astfel încât se va lua e=0.

%3,91913,05,0

%;2,96962,0)3(,0

%;9999,0)6(1,0

Pentru

Pentru

Pentru

(22)

Se poate adopta un raport r/l=λ suficient de mic astfel încât să se realizeze la mecanismul motor un randament convenabil. Cum în mod obişnuit λ este ales constructiv mai mic de 0,3 automat randamentul mecanic al mecanismului motor (mecanismul bielă manivelă piston în timpul motor) este mai mare de 96%, cu condiţia ca dezaxarea e să fie zero. Mecanismul bielă manivelă piston, atunci când lucrează în regim motor, are un randament mecanic foarte bun (foarte ridicat)[11].

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

26

4.3. Determinarea randamentului mecanic al sistemului bielă manivelă piston, atunci când acţionarea lui se face dinspre manivelă

Mecanismul (sistemul) bielă manivelă piston lucrează ca mecanism motor (cu acţionarea de la piston), aşa cum am arătat într-un singur timp, o singură cursă în cadrul unui ciclu energetic, ceilalţi unu sau respectiv trei timpi fiind timpi de lucru în regim manivelă (cu acţionarea de la manivelă – de la arborele cotit). La motoarele de tip Otto sau Diesel în doi timpi, sau la motoarele în patru timpi de tip Stirling sau rotative (Wankel, Atkinson nou, etc), la care ciclul energetic coincide cu cel cinematic (360 deg), există doar două curse (dacă e vorba de motoarele cu cilindri; în doi timpi sau în patru timpi Stirling), una fiind motoare şi alta fiind cu acţionare de la manivelă la motoarele în doi timpi, iar la motoarele în patru timpi de tip Stirling ambele curse fiind motoare (acesta este în fapt avantajul cel mai mare al motoarelor de tip Stirling), în vreme ce la motoarele rotative toate funcţiile se produc pe parcursul unei rotaţii complete, fără a mai putea discuta de cilindrii şi de cursa lor, ori de aspectul curselor, aici punându-se problema cât din unghiul total (360 deg=2π) de rotaţie a manivelei (a motorului) este timp motor sau nu.

Fig.4. 4. La un motor rotativ Wankel, forţele din timpul motor care acţionează imediat după aprindere tind să mişte rotorul în ambele părţi, apăsarea iniţială fiind egală pe ambele părţi

De exemplu la Wankel, rotaţia pe perioada timpului motor are o mare parte din ea cu timpi morţi în care presiunea motoare apasă în ambele sensuri, puterea motoare pierzându-se inutil (ca şi cum ar apăsa pe un balansoar în ambele sensuri simultan), iar mecanismul mişcându-se până când iese din zona respectivă la fel ca şi pe perioadele (zonele) nemotoare fiind acţionat de inerţie, primind puterea dinspre manivelă (deci în plin timp motor puterea motoare se anihilează singură apăsând pe ambele părţi ale scrânciobului rotor, iar mecanismul este acţionat de către manivelă şi de forţele de inerţie), lucru ce face ca deşi randamentul teoretic al unui Wankel să ajungă la valori foarte ridicate, randamentul real al lui să fie mai scăzut. În figura de mai jos se poate urmări un motor rotativ Wankel.

După ieşirea din poziţia de echilibru puterea care mişcă în sensul de rotaţie devine mai mare decât cea care apasă în sens invers, însă diferenţa dintre ele este încă mică mult timp, aducând un prejudiciu conceptual, însăşi ideii de mecanism motor (fig. 4.5).

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

27

Fig.4.5. Timpii motoarelor ȋn patru timpi

In mod obișnuit, este mult mai greu (dar nu imposibil) sa realizezi un motor rotativ care sa respecte conditiile de poluare actuale (din ce in ce mai restrictive).

Costurile de fabricatie pot sa fie mai mari, in principal pentru ca se fabrica in serii mai mici decat motoarele cu piston.

In mod obisnuit consuma mai mult combustibil decat motoarele cu piston din cauza ca randamentul termodinamic este micsorat de forma prelunga a camerei de combustie si de raportul de compresie mic.

Pentru corectarea situaţiei respective a fost inventat un motor rotativ modificat, cu zale (figura4.6).

Fig. 4.6. Motor rotativ modificat; sistemul de zale nu permite amestecului aprins să apese în ambele părţi; chiar şi aprinderea nu se mai face central ci pe lateral

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

28

După ce trece de zona critică sistemul cu zale şi role se deschide (fig.4.7) permiţând amestecului sub presiune să apese; apăsarea se face astfel unisens (totuşi sistemul rotativ cu zale şi role nu pare să fie soluţia cea mai potrivită pentru un sistem rotativ).

Fig. 4.7. Motor rotativ modificat

Mult mai interesant este (din acest punct de vedere) motorul Atkinson nou rotativ, care lucrează (rezolvă problemele) prin asimetrie (fig. 4.8) [5].

Fig. 4.8. Motor Atkinson nou rotativ

La motoarele cu cilindru (cilindri) în doi timpi, unul din timpi este motor, iar în celălalt timp motorul este acţionat de la manivelă. Motoarele în patru timpi cu cilindru (cilindri) excepţie făcând Stirlingul, au un singur timp motor din cei patru, toţi ceilalţi trei timpi fiind cu acţionare de la manivelă, fapt care reduce mult randamentul acestor motoare, deoarece randamentul mecanic la acţionarea de la manivelă este de circa două ori mai mic decât cel al unui timp motor efectiv, aşa cum se va vedea imediat.

Sub acest aspect motorul cu cilindru (cilindrii) în patru timpi, de tip Stirling este cel mai avantajat, el fiind acţionat în permanenţă de la piston (având astfel în permanenţă o acţionare motoare, cu randament maxim).

Din acest motiv el are o caracteristică de sarcină mai ciudată, care se spune că nu ar fi propice utilizării la automobile (motoarele acţionate mai mult de la manivelă, adică de la arborele cotit, deşi au randamentul mecanic mai redus, au o funcţionare mult mai stabilă, şi răspund rapid la schimbările

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

29

regimurilor de lucru cerute de un autovehicul, în special datorită ajutorului inerţial mare al arborelui, la care se adaugă şi volantul; acest tip de motoare sunt mai „nervoase” adică mai dinamice).

Acest lucru poate fi însă corectat cu uşurinţă şi la motoarele Stirling (de randament ridicat) prin utilizarea mai multor cilindrii simultan, prinşi pe acelaşi arbore (motor Stirling cu mai mulţi cilindri), arborele având o inerţie mare, care mai poate fi sporită şi printr-un volant.

Chiar dacă cilindrii lucrează mai tot timpul în regimuri motoare, ei sunt legaţi în permanenţă la arborele de ieşire care trebuie să aibă constructiv o inerţie foarte mare, mişcarea la ieşirea din motor fiind culeasă de la arbore.

În continuare se va studia sistemul manivelă bielă piston, în situaţia când el este acţionat de la manivelă (dinspre arborele cotit; a se urmări figura4.9).

Se determină repartiţia forţelor, iar pe baza lor şi a vitezelor cunoscute deja se vor putea calcula puterile şi randamentul mecanic al sistemului [11].

Fig.4.9. Forţele dintr-un sistem bielă manivelă piston,când acţionarea lui se face dinspre manivelă

Forţa de intrare, de acţionare (forţa motoare consumată), Fm, perpendiculară în A pe manivela OA (r), se divide în două componente: 1. Fn – forţa normală, care reprezintă componenta activă, singura componentă transmisă de la cupla A către cupla B prin intermediul bielei (la care forţele se

transmit doar în lungul ei); 2. F – forţa tangenţială, forţă care deşi nu se transmite prin bielă poate s-o rotească şi s-o deformeze elastic în acelaşi timp (încovoiere); ecuaţiile prin care se determină cele două componente sunt date de sistemul (23) [11].

)cos(

)sin(

m

mn

FF

FF (23)

În cupla B, forţa transmisă Fn, se divide la rândul ei în două componente: 1. Fu – forţa utilă; 2. Fr – o forţă normală pe axa de ghidare (axa ghidajului); a se vedea sistemul de ecuaţii (24).

cos)sin(cossin

sin)sin(sincos

mnnr

mnnu

FFFF

FFFF (24)

Puterea utilă se poate scrie sub forma (25), iar cea consumată îmbracă forma (26).

0

O

A

B

l

r

e

y B

x

y

P

- λ

F m

F n

F

F n

F u

F r

-

-

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

30

)(sin

sin

)sin(sin)sin(

2

rF

rFvFP

m

mBuu (25)

rFvFP mAmc (26)

Randamentul mecanic instantaneu al sistemului bielă manivelă piston acţionat dinspre manivelă se poate determina cu relaţia (27), [11].

)(sin

]sin)cos(cos)cos([

)(sin)(sin

2

2

222

22

notatiacu

l

rerel

rF

rF

P

P

i

m

m

c

ui

(27)

Pentru determinarea randamentului mecanic al sistemului acţionat de la arborele cotit ar fi dificil de integrat expresia de mijloc din sistemul (27) când variabila de integrare este unghiul φ (integrarea fiind posibilă doar prin metode aproximative, fapt ce nu ar permite obţinerea unei expresii finale).

Utilizând ca variabile unghiurile ψ şi φ, relaţia de integrat (prima parte a sistemului 27) se simplifică. Însă şi mai uşoară este integrarea relaţiei (27) de jos, când avem o singură variabilă, λ (relaţia 28) [11].

)(2

cossincossin5,0

)(4

)2sin()2sin(5,0

4

)2sin()2sin(

2

1

]2

)2sin()2sin([

2

1

)]2sin(2

1[

2

1

)2cos(12

1

2

)2cos(11

sin11 2

mM

mmMM

mM

mM

mM

mM

i

M

m

M

m

M

m

M

m

M

m

d

d

dd

(28)

GHEORGHE (Vorovenci) Elena Adriana

31

DISCUȚIE ȘI CONCLUZII FINALE

Aşa cum rezultă din relaţiile finale (28) randamentul mecanic al sistemului bielă manivelă piston acţionat de la arborele cotit (arborele motor) nu poate depăşi valoarea maximă de 50%.

Deci, cum la o proiectare optimă randamentul sistemului bielă manivelă piston acţionat de la piston se apropie de 100%, iar cel al sistemului acţionat de la manivelă (arborele motor) se situează sub valoarea de 50%, rezultă că cel mai bun sistem cu cilindri este cel care este acţionat permanent de la piston, adică motorul Stirling.

La un motor stirling randamentul mecanic pe tot ciclul energetic (care coincide cu ciclul cinematic) este de circa 80-99,9% în funcţie de modul de proiectare. Randamentul termic (al ciclului Carnot) pentru o funcţionare optimă la temperaturi ridicate (aşa cum s-a văzut în cadrul primului capitol) ajunge la 55-65%.

Rezultă de aici că randamentul total (final) al unui Stirling bine proiectat, cu sursă caldă având temperaturi ridicate, atinge valori cuprinse între 44% şi 65%, cea ce înseamnă foarte mult. Nici un alt motor termic nu mai atinge asemenea valori.

Deoarece unii spun că Stirlingul are randamente mai mici decât Otto sau Diesel, iar alţii dimpotrivă că tocmai randamentul unui Stirling este punctul său forte, este cazul să facem în acest moment o discuţie mai în detaliu. Ce folos că Otto şi Diesel ating un randament termic de circa 65-75% comparativ cu numai 55-65% la motoarele Stirling, dacă randamentul final al unui motor reprezintă produsul dintre randamentul său termic şi cel mecanic, iar în privinţa randamentului mecanic un Stirling în patru timpi, bine proiectat, poate atinge teoretic 99,999% (adică practic 100%), în vreme ce un Diesel sau Otto în patru timpi, va realiza practic un randament mecanic de cel mult 56% [(3*45%+90%):4], astfel încât randamentul total (final) al unui Otto sau Diesel va fi de numai circa 39% (56*70), cu mult sub cel maxim al unui Stirling, 65%. Să mai amintim că multă vreme motoarele Otto sau Diesel au funcţionat cu randamente finale de numai 12-20%, şi cu mare greutate s-au ridicat la randamente finale de 25-30%, în vreme ce motoarele stirling atingeau cu

ușurință 50-65%.

Totuşi motoarele în V sunt în stare să atingă randamente totale mai mari. Cu un randament mecanic de circa 70% şi unul termic maxim de 75%, un MOTOR Otto ori Diesel în V poate atinge un randament final de circa 52-53%.

Constructiv, trebuie adoptată o variantă de cilindru cu piston având cursa pistonului cât mai mică posibil, iar alezajul cât mai mare.

Motoarele stirling moderne, au avantajul că pot fi proiectate să funcționeze la randamente foarte mari. Să zicem că tehnologic motorul stirling modern va avea randamente mecanice de circa

95% (lucru ușor de realizat astăzi), iar temperatura sursei calde va permite un randament Carnot

de circa 80-85%, vom construi astfel motoare termice stirling (cu ardere externă) ce vor

funcționa cu randamente efective de circa 80%. Asemenea randamente nu s-au mai ȋntȃlnit decȃt

la angrenajele cu roți dințate, și ar mai fi eventual posibile la mecanisme cu cruce de Malta

proiectate rațional.

Sigur că randamentele reale ale celor mai moderne motoare termice cu ardere internă nu

vor putea depăși teoretic valoarea de 50%, dar chiar și așa ele rămȃn ȋn continuare favorite

datorită robusteții, compactității și dinamicii lor. Numai că vor fi dublate ȋn viitor și de motoare

termice cu ardere externă, de motoare electrice, și probabil și de alte tipuri de motoare. Deja la

trenurile cu levitație magnetică s-au dezvoltat motoarele electromagnetice, la unele submarine

avem motoare nucleare, la avioane se utilizează de mult timp motoarele cu reacție, iar la

aerospațiale motoarele ionice, și mai nou cele cu pulsuri energetice.

Diversificarea este firească! Omenirea progresează!

Un studiu comparativ între randamentele motoarelor termice cu ardere externă şi cele ale motoarelor termice cu ardere internă

32

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] Ocnărescu, C., Teoria mecanismelor, Editura Bren, ISBN 973-648-090-9, 2002, 184 p. [10] Pelecudi, Chr., Simionescu, I., Ene, M., Candrea, A., Stoenescu, M., Moise, V., Mecanisme cu cuple superioare: came si roti. I.P.B., Bucuresti, 1982. [11] Petrescu, F.I., Petrescu, R.V., Motoare termice, Create Space publisher, USA, October 2012, ISBN 978-1-4802-0488-1, 164 pages, Romanian 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.