Motorul Diesel

Motorul Diesel

Scurt cronologie 1862 - Nicolaus Otto dezvolt motorul pe baz de gaz de carbune, similar unui motor pe benzin modern.

1891 - Herbert Akroyd-Stuart mbunatete motorul su pe baz de ulei si cedeaz drepturile ctre Hornsby din Anglia pentru construcia motoarelor. Acetia au construit primul motor cu aprindere prin compresie cu start rece.

1892 - Motorul Hornsby cu numrul 101 este construit i instalat ntr-o cas de ap. Acesta se afl n muzeul camioanelor MAN din nordul Angliei.

1892 - Rudolf Diesel dezvolt versiunea sa de motor avnd la baz principiile motorului Carnot alimentat cu praf de carbune. El este angajat de geniul refrigerrii Carl von Linde, apoi de productorul de fier MAN AG din Mnchen i mai trziu de Sulzer, companie de motoare din Elveia. Diesel mprumut idei de la fiecare i las o motenire bogat firmelor.

1892 - John Froelich construiete un un tractor cu motor avnd combustibil petrolul.

1894 - Witte, Reid, and Fairbanks ncep construcia de motoare pe baza de petrol cu o varietate de sisteme de aprindere.

1896 - Hornsby construiete tractoare diesel i motoare pentru locomotive.

1897 - Winton produce i conduce primul automobil pe benzin din Statele Unite; mai trziu construiete fabrici de motore diesel.

1897 - Mirrlees, Watson & Yaryan construiesc primul motor diesel englez cu licen Rudolf Diesel. Acesta este expus n Science Museum din South Kensington, Londra.

[modific] Cum funcioneaz motorul dieselComprimarea 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 apindere prin scnteie. Spre sfritul cursei de compresie, motorina este pulverizat n camera de ardere prin intermediul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul care a fost nclzit pn la o temperatura de circa 700-900C (13001650F). Arderea combustibilului duce la cresterea temperaturii i presiunii, punnd n micare pistonul. 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 captul cilindrului. 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.

Atunci cnd afar este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa masiv a metalului blocului motor {format din cilindri i chiulas) absoarbe cldura produs prin compresie, mpiedicnd aprinderea. Unele motoare folosesc dispozitive electrice de nclzire, denumite 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 viscozitate, mai ales la temperature 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 i limitez turaia motorului prin intermediul unei uniti centrale de control care primete permenent 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 timp de injecie de 10 grade. Timpul optim de injecie este dat de construia, viteza i sarcina motorului respectiv.

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

[modific] Injecia combustibilului la motoarele diesel[modific] Primele sisteme de injecieMotorul 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 compresia 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 compresie 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 unuor injectoare i a aerului comprimat, ntr-o stare aproape solid. La nceputuri, 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.

[modific] 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 curele. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supap i arc, care se deschideau/nchideau la o anumit presiune a combustibilului. Pompa consta dinrtr-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 masur 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 se rotea n dreptul deschiderii fiecrui cilindru. 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, controlnd 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 electro-magnetic prin intermediul unei untiti centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injeciei n funie de turaie i sarcin, avnd ca rezultat performane mrite i un consum sczut. Designul simplificat al ansamblului pomp-injector a condus la construcia de motoare mai fiabile i silenioase.

[modific] Injecia indirectn cazul motorului diesel cu injecie indirect, motorina nu este injectat direct n camera de ardere, ci ntr-o pre-camer unde arderea este iniiat i se extinde apoi n camera de ardere principal, antrenat de turbulena creat. Sistemul permite o funcionare linitit, i deoarece arderea este asistat de turbulen, presiunea de injecie poate fi mai sczut, deci sunt permise viteze de rotaie mari (pn la 4 000 rpm), mult mai potrivite autoturismelor. Precamera avea dezavantajul pierderilor mari de cldur, ce trebuiau suportate de ctre sistemul de rcire i a unei eficiene sczute a arderii, cu pn la 5-10% mai sczut fa de motoarele cu injecie direct. Aproape toate motoarele trebuiau s aib un sistem de pornire la rece, ca de exemplu bujii incandescente. Motoarele cu injecie indirect au fost folosite pe scar mare n industria auto i naval ncepnd din anii timpurii 1950 pn n anii 1980, cnd injecia direct a progresat semnificativ. Motoarele cu injecie indirect sunt mai ieftine i mai uor de construit pentru domeniile de activitate unde emisiile poluante nu sunt o prioritate. Chiar i n cazul noilor sisteme de injecie controlate electronic, motoarele cu injecie indirect sunt ncet nlocuite de cele dotate cu injecie direct, care sunt mult mai eficiente.

n perioada de dezvoltare a motoarelor diesel din anii 1930, diferii contructori au pus la punct propriile tipuri de precamere de ardere. Unii constructori, precum Mercedes-Benz, aveau forme complexe. Alii, precum Lanova, utilizau un sistem mecanic de modificare a formei precamerei, n fucie de condiiile de funionare. ns, cel mai folosit metod a fost cea n form de spiral, conceput de Harry Ricardo ce folosea un design special pentru a crea turbulene. Majoritatea productorilor europeni au folosit acest tip de precamere sau i-au dezvoltat propriile modele (Mercedes Benz i-a meninut propriul design muli ani).

[modific] Injecia directMotoarele moderne folosesc una din urmtoarele metode de injecie direct.

[modific] Injecia direct cu pomp-distribuitorPrimele motoare diesel cu injecie direct au folosit o pomp de injecie rotativ, cu injectoarele montate n partea superioara a camerei de ardere i nu ntr-o precamer. Exemple de vehicule dotate cu astfel de motoare sunt Ford Transit sau Rover Maestro, avnd ambele motoare fabricate de Perkins. Problema acestor motoare era zgomotul excesiv i emisiile de fum. Din aceast cauz aceste motoare au fost la nceput montate doar pe vehicule comerciale excepia notabil fiind autoturismul Fiat Croma. Consumul era cu 15% pn la 20% mai sczut dect la un motor diesel cu injecie indirect, ndeajuns s compenseze, pentru unii, zgomotul produs.

Primul motor cu injecie direct de mic capacitate, produs n serie a fost conceput de grupul Rover. Motorul n 4 cilindrii, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din 1989, avnd chiulasa din aluminiu, injecie Bosch n 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire uoar i un mers lin i economic.

Controlul electronic al pompei de injecie a trasformat radical acest tip de motor. Pionierul a fost grupul Volkswagen-Audi cu modelul Audi 100 TDI aprut n 1989. Presiunea de injecie era de circa 300 bari, dar momentul injeciei, cantitatea de motorin injectat i turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot i emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat i la vehiculele de mas precum Golf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice i mai puternice dect competitorii pe injecie indirect.

[modific] Injecia direct cu ramp comun (common rail)La vechile motoare diesel o pomp-distribuitor asigura presiunea necesar la injectoare care erau simple duze prin care motorina era pulverizat n camera de ardere.

La sistemele cu ramp comun, distribuitorul este eliminat. O pomp de nalt presiune menine motorina la o presiune constant de 1800 bari ntr-o ramp comun, o conduct unic care alimentez fiecare injector comandat electro-magnetic de mare precizie sau chiar injectoare piezo-electrice (utilizate de Mercedes la motorul diesel cu 6 cilindrii n V de 3 L).

Majoritatea constructorilor europeni au n gama lor modele echipate cu motoare diesel common rail, chiar i la vehiculele comerciale. Unii constructori japonezi, precum Toyota, Nissan i, mai recent, Honda, au dezvoltat i ei motoare diesel cu ramp comun.

Diferii constructori de automobile au denumiri diferite pentru motoarele lor diesel common rail. Spre exemplu: CDI la DaimlerChrysler, TDCi la Ford, JTD la grupul Fiat, dCi la Renault, CDTi la Opel, CRDi la Hyunday, DI-D la Mitsubishi, HDI la grupul PSA, D-4D la Toyota.

[modific] Injecia direct cu pomp-injectorAcest tip de sistem injecteaz, de asemenea, motorina direct n cilindru. Injectorul i pompa formeaz un corp comun plasat n captul pistonului. Fiecare cilindru are propria pomp care alimenteaz injectorul propriu, fapt ce exclude fluctuaiile de presiune i asigur o injecie consistent. Acest tip de injecie, dezvoltat de Bosch, este folosit de ctre autoturismele grupului Volkswagen AG - denumit sistemul pomp-injector - i de ctre Mercedes Benz i majoritatea fabricanilor de motoare diesel mari (CAT, Cummins, Detroit Diesel). Ultimele realizri asigur o presiune de injecie crescut, de pn la 2050 bar.

[modific] Tipuri de motoare diesel[modific] Motoarele diesel timpuriiIntenia lui Rudolph Diesel a fost aceea de a nlocui motorul cu aburi ca surs primar de energie pentru industrie. Motoarele diesel de la sfrtul secolului XIX i nceputul secolului XX foloseau aceeai form i dispunere ca motoarele cu aburi industriale: cilindri cu curs mare, supape exterioare, chiulase pentru fiecare cilindru i arbore cotit fr carter, 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 aburi, aveau mai muli cilindri. Cele mai mari motoare diesel timpurii erau replici ale celor cu aburi, cu lungimi impresionante, de civa metri buni. 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 aburi, unde vitezele normale de operare se ncadrau ntre 100 si 300 rotaii pe minut. Motoarele erau pornite cu ajutorul aerului comprimat, care era introdus in cilindri i rotea mororul, dei cele mai mici puteau fi pornite i manual.

n primele decenii ale secolului XX, cnd marile motoare diesel erau montate pe nave, acestea aveau forma motoarelor cu aburi, pistonul mpingea o tij cuplat la o biel ce rotea arborele motor. Urmnd modelul motoarelor cu aburi, s-au construit motoare cu dubl aciune, unde arderea avea loc n ambele pri ale pistonului pentru a mrii puterea. Acestea aveau doua rnduri de supape si 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 problema motoarelor cu dubl aciune era etanietatea camerei inferioare de ardere i a segmenilor. n anii 1930 s-a descoperit c montarea turbocompresoarelor era o soluie mai uoar i eficient.

[modific] Motoarele diesel moderneMotoarele diesel sau pe benzin sunt n 2 timpi sau n 4 timpi. Majoritatea motoarelor sunt n 4 timpi, dar unele motoare mari funioneaz n 2 timpi, n principal cele de pe nave. Majoritatea locomotivelor moderne folosesc motoare diesel n 2 timpi, cuplate la generatoare electrice ce acionez motoare electrice, eliminnd nevoia transmisiei. Pentru cresterea presiunii n cilindrii s-a folosit supraalimentarea, mai ales la motoarele diesel n doi timpi care au dou curse utile per rotaie a arborelului cotit.

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

nainte de 1949, Sulzer a construit, experimental, motoare n doi timpi supraalimentate la 6 atmosfere a cror putere era obinut cu ajutorul unor turbine acionate de gazele de evacuare. [1][modific] Motoarele cu aprindere prin compresia generat de un carburator[modific] Avantajele i dezavantajele motorului diesel fa de cel cu aprindere prin scnteie[modific] Putere i economie de carburant[modific] Emisii de gazeEmisiile poluante ale motoarelor cu ardere intern

1.1. Legislaia privind emisiile poluante Cunoaterea efectelor nocive ale emisiilor poluante emise de motoarele cu ardere intern a impus limitarea lor treaptat. Aceast aciune a nceput n anul 1959 n statul american California cnd s-au stabilit primele standarde de reducere a emissiilor poluante pentru concentraiile de CO i hidrocarburi. Aciunea a continuat i n anii urmtori cu emisiile de evaporare din carburator i rezervorul de combustibil, apoi densitatea fumului i aa mai departe pentru toate gazele ce fac parte din emisiile poluante.

1.1.1. Nocivitatea emisiilorHC hidrocarburi Aceste substane nu au un efect direct asupra santii, cu excepia hidrocarburilor policiclice aromate, despre care este stabilit caracterul lor cancerigen. S-a stabilit c aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de motoarele cu ardere intern au un rol important n formarea smogului fotochimic. Smogul fotochimic reprezint o cea, caracteristic unor regiuni geografice (California, Tokyo). Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine englez smoke + fog i este produs n atmosfer sub aciunea razelor solare, n special datorit hidrocarburilor i oxizilor de azot. Smogul este iritant pentru ochi i mucoase, reduce mult vizibilitatea i este un pericol pentru traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacii chimice catalizate de prezena razelor solare. Aldehidele Substane organice prezente n gazele de evacuare n proporie relativ sczut pentru combustibili clasici de natur petrolier, dar cu o pondere mult mai mare pentru combustibilii provenii din alcooli. Sunt substane iritante pentru organism, iar dintre acestea formaldehida are un important potenial cancerigen. CO (oxidul de carbon) are unefect toxic generat de fixarea hemoglobinei n snge prin care se mpiedic alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influen o are la persoanele cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecven mult mai mare.

Oxizii de azot NO i NO2 Oxizii de azot au efecte duntoare prin contribuia adus la formarea smogului, precum i prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea hemoglobinei i prin efecte mai ales la bolnavii pulmonari. De asenenea, oxizii de azot mpreun cu oxizii de sulf contribuie la formarea ploilor acide. Particulele nemetalice Aceste particule, n special cele de carbon, sunt emise mai ales de motoarele diesel. Aceste particule pot fi inhalate n plmni, unele din ele putnd avea i efect cancerigen. Efectul particulelor se poate manifesta i asupra cldirilor. Particulele de plumb Aciunea plumbului este foarte duntoare asupra omului i este bine cunoscut nc din antichitate. Concentraii sczute de plumb provoac tulburarea albuminelor i glucidelor, atac rinichii i sistemele nervos i central. Intoxicaia cronic de Pb se numete saturnism i provoac colit, insuficien renal,etc. Plumbul se gsete n combustibilii etilai pentru motoarele cu aprindere prin scnteie. Bioxidul de carbon este prezent n aerul atmosferic, iar la concentraii de pn la 3-4 la mie este util n procesul de fotosintez. Aspectul ngrijortor al creterii concentraiei de bioxid de carbon este dat de apariia efectului de ser (reducerea cantitii de energie radiate de pmnt ctre spaiul cosmic, datotorit reinerii cldurii n unele gaze). Acest efect de ser poate conduce la creterea temperaturii medii la nivelul solului, iar motoarele cu ardere intern au o mare pondere n creterea concentraiei de bioxid de carbon.

1.1.2. Msurarea produilor poluani La motoarele cu ardere intern msurarea produilor poluani se poate face n mai multe moduri: Concentraia gazelor poluante n gazele de evacuare (exprimat n pri pe milion ppm sau procentual) Concentraia de emisie poluant a unui motor care echipeaz un autovehicul raportat la unitatea de distan parcurs (g/km sau g-mil) pentru a determina mai exact efectu produs de autovehicolul respectiv. Pentru motoarele diesel staionare de putere mare se poate utiliza o unitate de msur raportat la energia produs (g/(CPh) sau g/(kWh)) Legtura care exist ntre cantitatea de emisii evacuat n atmosfer i regimul de funcionare al motorului a impus elaborarea unor norme de definire a ciclurilor funcionale considerate reprezentative pentru condiiile obinuite de funcionare. De asemenea sunt standardizate tehnica de msurare experimental, metodele de prelevare a probelor de gaz i prelucrarea rezultatelor.

Cicluri standard de funcionare n Uniunea European se aplic ciclul standard ECE+EUDC pentru autovehiculele i autoutilitarele de pn la 3.5 tone. Acest ciclu este definit prin variaia vitezei vehiculului n intervalul de prob.