Motor diesel

Motor diesel

Motorul diesel este un motor cu ardere intern n care combustibilul se aprinde datorit temperaturii ridicate create de comprimarea aerului necesar arderii, i nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, aa cum ar fi bujia n cazul motorului cu aprindere prin scnteie.Numele motorului a fost dat dup inginerul german Rudolf Diesel la sugestia soiei sale, Martha Diesel, care n 1895 l sftuiete cu: Nenn ihn doch einfach Dieselmotor! (numete-l pur i simplu motor Diesel!), uurnd astfel lui Diesel cutarea dup denumirea motorului, pe care l-a inventat n 1892 i l-a patentat pe 23 februarie 1893. Intenia lui Diesel a fost ca motorul su s utilizeze o gam larg de combustibili, inclusiv praful de crbune. Diesel i-a prezentat invenia funcionnd n 1900 la Expoziia Universal (World's Fair) avnd drept combustibil ulei de alune (vezi biodiesel

Comprimarea unui gaz conduce la creterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul n motoarele diesel. Aerul este aspirat n cilindri i este comprimat de ctre piston pn la un raport de 25:1, mai ridicat dect cel al motoarelor cu aprindere prin scnteie. Spre sfritul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizat n camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja nclzit prin comprimare pn la o temperatura de circa 700-900C. Arderea combustibilului duce la creterea temperaturii i presiunii, care acioneaz pistonul. n continuare, ca la motoarele obinuite, biela transmite fora pistonului ctre arborele cotit, transformnd micarea liniar n micare de rotaie. Aspirarea aerului n cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mrirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mri cantitatea de aer introdus n cilindri. Folosirea unui rcitor intermediar pentru aerul introdus n cilindri crete densitatea aerului i conduce la un randament mai bun.n timpul iernii, cnd afar este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalic masiv a blocului motor {format din cilindri i chiulas) absoarbe o mare parte din cldura produs prin comprimare, reducnd temperatura i mpiedicnd aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de nclzire, de exemplu bujii cu incandescen, ajutnd la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistene electrice dispuse n galeria de admisie, pentru a nclzi aerul. Sunt folosite i rezistene electrice montate n blocul motor, tot pentru a uura pornirea i a micora uzura. Motorina are un grad mare de vscozitate, mai ales la temperaturi sczute, ducnd la formarea de cristale n combustibil, n special n filtre, mpiedicnd astfel alimentarea corect a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care s nclzeasc motorina, mai ales n zona rezervorului i a filtrelor a rezolvat aceast problem. De asemenea, sistemul de injecie al multor motoare trimite napoi n rezervor motorina deja nclzit, care nu a fost injectat, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. n prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat i aceast problem.

O component vital a motoarelor diesel este regulatorul de turaie, mecanic sau electronic, care regleaz turaia motorului prin dozarea corect a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scnteie (Otto), cantitatea de aer aspirat nu este controlat, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme n funcie de sarcin i vitez. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comand injecia de combustibil i limiteaz turaia motorului prin intermediul unei uniti centrale de control care primete permanent semnale de la senzori, doznd corect cantitatea de motorin injectat.

Controlul precis al timpilor de injecie este secretul reducerii consumului i al emisiilor poluante. Timpii de injecie sunt msurai n unghiuri de rotaie ai arborelui cotit nainte de punctul mort superior. De exemplu, dac unitatea central de control iniiaz injecia cu 10 grade nainte de punctul mort superior, vorbim despre un avans la injecie de 10 grade. Avansul la injecie optim este dat de construcia, turaia i sarcina motorului respectiv.

Avansnd momentul injeciei (injecia are loc nainte ca pistonul s ajung la punctul mort interior) arderea este complet, la presiune i temperatur mare, dar cresc i emisiile de oxizi de azot. La cealalat extrem, o injecie ntrziat conduce la ardere incomplet i emisii vizibile de particule

Motorul diesel modern este o mbinare a creaiilor a doi inventatori. n mare, rmne fidel conceptului original al lui Rudolf Diesel, adic combustibilul este aprins prin comprimarea aerului din cilindru. ns, aproape toate motoarele diesel de azi folosesc aa-numitul sistem de injecie solid, inventat de Herbert Akroyd Stuart, pentru motorul su cu cap incandescent (un motor cu aprindere prin comprimare care precedase motorul diesel, dar funcioneaz oarecum diferit). n cazul injeciei solide, combustibilul este adus la o presiune extrem cu ajutorul unor pompe i introdus n camera de ardere prin intermediul unor injectoare i a aerului comprimat, ntr-o stare aproape solid. La nceput, combustibilul era injectat n motorul diesel cu ajutorul aerului comprimat care l pulveriza n cilindru. Mrimea compresorului de aer era att de mare, nct primele motoare diesel erau foarte grele i voluminoase n raport cu puterea produs, mai ales datorit antrenrii unor astfel de compresoare. Primele motoare montate pe nave aveau un motor auxiliar dedicat antrenrii compresorului de injecie. Sistemul era prea mare i greoi pentru a fi folosit n industria auto.

Injecia controlat mecanic i electronicMotoarele din vechile generaii utilizau o pomp mecanic i un mecanism cu supape antrenate de arborele cotit, de obicei prin intermediul unui lan sau curea dinat. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supap i arc, care se deschideau/nchideau la o anumit presiune a combustibilului. Pompa consta dintr-un cilindru care comprima motorina i o supap sub form de disc care se rotea la jumtate din turaia arborelui cotit. Supapa avea o singur deschidere pe o parte, pentru combustibilul sub presiune i o alta pentru fiecare injector. Pe msur ce se rotea, discul supapei distribuia fiecrui injector o cantitate precis de combustibil la mare presiune. Supapa injectorului era acionat de presiunea motorinei injectate att timp ct discul debita combustibil cilindrului respectiv. Regimul motorului era controlat de un al treilea disc care se rotea doar cteva grade i era acionat de o prghie. Acest disc controla deschiderea prin care trecea combustibilul, doznd astfel cantitatea de motorin injectat.

Vechile motoare diesel puteau fi pornite, din greeal, i n sens invers, dei funcionau ineficient datorit ordinii de aprindere dereglate. Aceasta era de obicei consecina pornirii mainii ntr-o treapt de vitez greit.

Motoarele moderne au o pomp de injecie care asigur presiunea necesar injeciei. Fiecare injector este acionat electromagnetic prin intermediul unei uniti centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injeciei n funcie de turaie i sarcin, avnd ca rezultat performane mrite i un consum sczut. Soluia tehnic mai simpl a ansamblului pomp-injector a condus la construcia de motoare mai fiabile i mai silenioase.Tipuri de motoare dieselMotoarele diesel timpuriiIntenia lui Rudolph Diesel a fost aceea de a nlocui motorul cu abur ca surs primar de energie pentru industrie. Motoarele diesel de la sfritul secolului XIX i nceputul secolului XX foloseau aceeai form i dispunere ca motoarele cu abur industriale: cilindri cu curs mare, fr carter, supape exterioare, chiulase pentru fiecare cilindru i arbore cotit cuplat la un volant enorm. Curnd, vor aprea motoare mai mici, cu cilindri verticali, n timp ce majoritatea motoarelor industriale de mrime mare i medie aveau tot cilindri orizontali, i ntocmai ca motoarele cu abur, aveau mai muli cilindri. Cele mai mari motoare diesel timpurii erau replici ale celor cu abur, cu lungimi impresionante, de civa metri. Acestea funcionau cu viteze foarte mici, n special datorit motorinei injectate cu ajutorul aerului comprimat, dar i pentru c trebuiau s corespund majoritii utilajelor industriale construite pentru motoarele cu abur, unde vitezele normale de operare se ncadrau ntre 100 i 300 rpm. Motoarele erau pornite cu ajutorul aerului comprimat, care era introdus n cilindri i rotea motorul, dei cele mai mici puteau fi pornite i manual.

n primele decenii ale secolului al XX-lea, cnd marile motoare diesel erau montate pe nave, acestea aveau forma motoarelor cu abur, pistonul mpingea o tij cuplat la o biel ce rotea arborele motor. Urmnd modelul motoarelor cu abur, s-au construit motoare cu dubl aciune, unde arderea avea loc n ambele pri ale pistonului pentru a mri puterea. Acestea aveau doua rnduri de supape i dou sisteme de injecie. Sistemul permitea, de asemenea, modificarea sensului de rotaie, prin modificarea timpilor de injecie. Prin urmare, motorul putea fi cuplat direct la axul elicei, fr a mai fi nevoie de o cutie de viteze. Dei aveau o putere mare i erau foarte eficiente, marea problem a motoarelor cu dubl aciune era etaneitatea camerelor de ardere. n anii 1930 s-a descoperit c montarea turbocompresoarelor era o soluie mai uoar i eficient.

Motoarele diesel moderneMotoarele diesel sau cu aprindere prin comprimare sunt n doi sau n patru timpi. Majoritatea motoarelor sunt n patru timpi, dar unele motoare mari funcioneaz n doi timpi, de exemplu cele de pe nave. Majoritatea locomotivelor moderne folosesc motoare diesel n doi timpi, cuplate la generatoare electrice ce acioneaz motoare electrice, eliminnd nevoia transmisiei. Pentru creterea presiunii n cilindri s-a folosit supraalimentarea, mai ales la motoarele diesel n doi timpi care au cte o curs util la fiecare rotaie a arborelui cotit.

n mod normal, cilindrii sunt multiplu de doi, dar se poate folosi orice numr de cilindri, att timp ct sunt eliminate vibraiile excesive. Cea mai folosit configuraie este cea de 6 cilindri n linie, dar sunt folosii i 8 cilindri n V sau 4 n linie. Motoarele de mic capacitate (n special cele sub 5000 cmc) au de obicei 4 (majoritatea lor) sau 6 cilindri, fiind folosite la autoturisme. Exist i motoare cu 5 cilindri, un bun compromis ntre funcionarea lin a unuia de 6 cilindri i dimensiunile reduse ale unuia de 4 cilindri. Motoarele diesel pentru ntrebuinri curente (brci, generatoare, pompe) au 4, 3, 2 sau chiar un singur cilindru pentru capaciti mici.

n dorina de a mbuntii raportul greutate/putere s-au adus inovaii privind dispunerea cilindrilor pentru a obine mai mult putere per cilindree. Cel mai cunoscut este motorul Napier Deltic, cu trei cilindri dispui sub form de triunghi, fiecare cilindru avnd 2 pistoane cu aciune opus, ntregul motor avnd 3 arbori cotii. Compania de camioane Commer din Marea Britanie a folosit un motor asemntor pentru vehiculele sale, proiectat de Tillings-Stevens, membru al Grupului Rootes, numit TS3. Motorul TS3 avea 3 cilindri n linie, dispui orizontal, fiecare cu 2 pistoane cu aciune opus conectate la arborele cotit printr-un mecanism de tip culbutor. Dei ambele soluii tehnice produceau o putere mare pentru cilindreea lor, motoarele erau complexe, scumpe de produs i ntreinut, iar cnd tehnica supraalimentarii s-a mbuntit n anii 1960, aceasta a rmas o soluie marginal pentru creterea puterii.