motor cu ardere

Motor cu ardere (în sens larg) este mașină, care prin arderea combustibilului transformă energia sa chimică în lucru mecanic. La ardere combustibilului, sau a amestecului de combustibil poate avea loc în motor, dar și în afara motorului. În sens restrâns, sub termenul de motor cu ardere se înțelege în mod obișnuit motorul cu piston cu ardere.^[1]. Articolul se ocupă de motorul cu ardere în sens larg.

Principul funcționării

Anumite substanțe, în general numite combustibile, pot fi reactii chimice de ardere, în timpul căreia se eliberează căldură. Dacă căldura eliberată încălzește gazul de lucru gaz, conform ecuației de stare crește presiunea sa presiune, sau volum, în funcție de faptul dacă se află într-un spațiu închis sau deschis. Această stare a gazului poate fi utilizată pentru a efectua lucru mecanic, fie acționând presiunea asupra unei părți mobile a motorului, fie utilizând legea acțiunii și reacțiunii la ieșirea substanței de lucru din motor. Extragerea lucrului mecanic obținut într-o formă utilizabilă este deja o chestiune de soluție constructivă adecvată. Întregul proces decurge în conformitate cu a doua lege a termodinamicii doar cu o anumită eficiență.

Una dintre variantele menționate ale acestui principiu general este prezentă în realizarea fiecărui motor cu ardere. În acest caz este valabil:

• combustibilele pot fi solide, lichide sau gazoase,
• mediul în care se arde este cel mai adesea aer dar poate fi și alta substanță,
• arderea poate avea loc în interiorul sau în afara motorului,
• gazul de lucru poate fi separat, sau poate fi chiar fumul,
• gazul de lucru se schimbă în mod continuu, sau este închis în motor,
• părțile mobile ale motorului asupra cărora acționează gazul de lucru se poate mișca în diferite moduri,
• pentru obținerea lucrului mecanic se poate folosi unul, al doilea, sau ambele metode împreună.

Având în vedere cele de mai sus, nu este surprinzător faptul că grupa motoarelor cu ardere include o mulțime de tipuri și diferite variante constructive, de aceea este util să se folosească criterii potrivite pentru împărțirea lor.

Împărțirea

Motoarele cu ardere se împart după mai multe aspecte. Cele individuale sunt independente, de aceea nu se poate crea o structură simplă de tip arbore în acest caz

Împărțirea de bază

Motoarele cu ardere se împart:

1. după locul în care are loc arderea (în motor sau în afara acestuia) în
   • motoare cu ardere internă (majoritatea motoarelor cu ardere moderne)
   • motoare cu ardere externă, la care se poate distinge dacă energia ajunge în spațiul de lucru
     • prin furnizarea gazelor de lucru (de exemplu turbina cu gaz)
     • prin transferul de căldură prin încălzitorul substanței de lucru (de exemplu motorul Stirling)
2. după ciclul de lucru în
   • motoare cu ciclu de lucru continuu (de exemplu turbina cu ardere)
   • motoare cu ciclu de lucru intermitent
     • motor cu două timpi
     • motor cu patru timpi
3. După principiul de bază al funcționării:
   • motoare cu piston cu ardere
     • motoare cu mișcare rectilinie inversabilă a pistonului (majoritatea motoarelor cu ardere moderne)
     • motoare cu mișcare circulară a pistonului (motorul Wankel)
   • motoare cu lopătici (turbine)
   • motoare reactive (motoare cu turbină, sau motoare cu rachetă)
4. Motoarele cu piston cu ardere se împart după modul de declanșare a arderii în:
   • motoare cu aprindere prin scânteie - arderia este declanșată de energia dintr-o sursă exterioară - scânteia bujiei de aprindere
   • motoare cu aprindere prin compresie - când arderia este declanșată de încălzirea amestecului comprimat peste temperatura de aprindere
   • motoare cu aprindere combinată
   • motoare cu lumină

În practica obișnuită, astăzi sub motor cu ardere se înțelege motorul cu ardere internă.

Alte împărțiri

Există și alte împărțiri mai detaliate. Lista următoare de criterii nu este completă, în plus, categoriile individuale ale motoarelor cu ardere, de exemplu turbinele, au categorii proprii specifice.

• după tipul combustibilului ars se împart în:
  • gazoase - arde combustibilul gazoas, de exemplu gaz metan
  • lichide - combustibile petroliere (benzină, motorină), sau altele (alcool)
  • solide - de exemplu cărbune praf
  • motoare multi-combustibil - care pot trece la arderea altui combustibil, cu sau fără modificări ale motorului
  • motoare bi-combustibil - care ard simultan mai multe tipuri de combustibil
• după locul pregătirii amestecului:
  • cu formarea amestecului în afara spațiului de lucru - de exemplu în carburator, camera de ardere
  • cu formarea amestecului în spațiul de lucru - de exemplu în cilindrul motoarelor cu aprindere prin compresie
• după modul de pregătire a amestecului:
  • motoare cu carburator
  • motoare cu injecție
• după modul în care aerul este transportat în cilindri:
  • motoare cu umplere naturală a cilindrilor (atmosferică), când aspirația este asigurată doar de subpresiunea generată de mișcarea pistonului în cilindru,
  • motoare supraalimentate, când umplerea cilindrului cu o presiune mai mare decât cea atmosferică este asigurată de un dispozitiv suplimentar în sistemul de umplere. Dispozitivele de umplere pot fi mecanice compresoare sau și compresoare, de exemplu în VW Corrado (G-Lader), sau compresoare folosite în automobilele Bentley (Bentley Blower) compresor cu turbină, de exemplu în motoarele TDI ale companiei VW.
• după destinația de lucru în: staționare, mobile, industriale, electrice, pentru barcă, feroviară, pentru vehicul, pentru trăgător, speciale și altele.

Motor cu piston cu ardere

Mai multe informații în articolul principal: Motor cu piston cu ardere

Aceste motoare sunt cei mai numeroși reprezentanți ai motoarelor cu ardere în echipamentele tehnice. Se folosesc aproape exclusiv pentru propulsia vehiculelor motorizate. Partea lor de bază este pistonul, care execută o mișcare de translație sau mișcare de rotație și mediează transformarea energiei de presiune a gazului în energie mecanică a arbore rotativ.

Motor cu aprindere prin scânteie

Mai multe informații în articolul principal: Motor cu aprindere prin scânteie

Caracteristica de bază a motoarelor cu aprindere prin scânteie este faptul că amestecul deasupra pistonului este aprins cel mai adesea de o scântea între electrozi ai bujiei. Amestecul pentru aprindere are nevoie de o sursă exterioară de energie. Motorul cu aprindere prin scânteie poate funcționa atât ca motor cu două timpi, cât și cu patru timpi.

Motor cu aprindere prin compresie

Mai multe informații în articolul principal: Motor cu aprindere prin compresie

Caracteristica de bază a motoarelor cu aprindere prin compresie este faptul că amestecul, care se formează direct în spațiul de ardere, se aprinde de căldura de compresie. Aceste motoare au un raport de compresie atât de mare, încât la comprimarea aerului aspirat în cilindru, în momentul injectării combustibilului în spațiul de ardere, temperatura este mai mare decât temperatura de aprindere combustibilului. Motorul cu aprindere prin compresie poate funcționa și ca motor cu două timpi, sau cu patru timpi.

Motor cu rachetă

Mai multe informații în articolul principal: Motor cu rachetă

Motorul cu rachetă are o poziție specială între ceilalți motoare cu ardere:

• nu aspiră substanța de lucru din atmosferă în timpul funcționării, ci în afară de combustibil, trebuie să aibă o cantitate suficientă de oxidant
• produsul util al motorului nu este lucru mecanic, ci efect reacționar al fumului
• în afară de sistemele auxiliare (de exemplu pompe, rotirea duzelor) nu conține în principal sistemul de transformare a energiei piese mobile.

Având în vedere diferențele esențiale menționate, unele părți ale textului de mai jos nu se aplică motoarelor cu rachetă.

Istoria

Primele proiecte de utilizare a pulberii de praf, ca sursă de energie mecanică au apărut deja în secolul al XVII-lea. În Franța au fost abordate de Hautefeuille și Denis Papin, în Olanda Christian Huygens. La sfârșitul secolului al XIX-lea propus Street în Regatul Unit de a folosi amestecul de combustibil lichid cu aer și Barber propus prima turbină cu ardere. În secolul al XIX-lea patentat Lebon motorul cu două acțiuni pe gaz, S. Brown construit motorul pe gaz și în anul 1826 l-a instalat într-un vehicul. Étienne Lenoir construit în anul 1860 motorul cu două timpi cu două acțiuni pe gaz de lumină. În anul 1867 Nikolaus Otto și Langen construit motorul pe gaz atmosferic, în anul 1873 Reithmann motorul pe gaz cu patru timpi, în anul 1878 încă o dată Otto motorul pe gaz cu patru timpi cu o singură acțiune. În anul 1879 construit Kostovič motorul cu aprindere prin scânteie cu o putere de până la 60 kW pentru propulsia zepelinelor. În anul 1884 Gottlieb Daimler construit prima turbină cu patru timpi cu aprindere prin scânteie cu turații mari. În anul 1893 descrie Rudolf Diesel un ciclu de lucru pentru utilizarea prafului de cărbune, sau alte combustibile grele. În anii 1920 au avut loc experimente de a injecta combustibilul cu o pompă și nu prin aer comprimat. Producția de automobile în serie, și deci și a motoarelor acestora a început în anul 1908 de firmă Ford. În anul 1912 compania elvețiană Sulzer construit prima locomotivă, propulsată cu motor diesel.

Avantajele și dezavantajele motoarelor cu ardere

Fiecare tip de motor cu ardere are propriile sale avantaje și dezavantaje și, prin urmare, se potrivesc mai mult sau mai puțin pentru propulsia diferitelor echipamente.

Avantajele principale ale motoarelor cu ardere sunt:

• în varianta cu piston ating eficiențe mari de transformare a energiei. Turbinele cu ardere ating eficiențe mari doar în unități cu o putere mare
• se pot pune rapid în funcțiune (cu excepția motoarelor cu putere mare)
• se pot construi pentru diferite combustibile, scopuri și dimensiuni
• mai ales cu combustibili lichizi permit atingerea unor consumuri scăzute de combustibil, raze de acțiune mari, greutăți specifice mici ale puterii, adică sunt potrivite pentru propulsia vehiculelor de transport.

Dezavantajele principale ale motoarelor cu ardere sunt:

• efectul negativ asupra mediului înconjurător
• au nevoie de o sursă exterioară de energie pentru pornire (cu excepția motoarelor cu rachetă)
• motoarele cu piston au un comportament neavantajos al caracteristicilor de putere
• nu ating o durată de viață mare

Subsisteme

 

Starter electric

Pentru funcționarea sa reală, motorul are nevoie de alte subsisteme.

• Sistemul de combustibil asigură depozitarea, distribuția și filtrarea combustibilului.
• Sistemul de pregătire a amestecului asigură pregătirea amestecului de ardere a aerului și a combustibilului într-o cantitate suficientă, calitate și compoziție adecvată.
• Sistemul de răcire asigură evacuarea căldurii reziduale și funcționarea motorului într-un regim termic optim.
• Sistemul de ungere asigură ungerea părților mobile ale motorului.
• Sistemul de control (astăzi aproape exclusiv electronic) asigură reglarea funcționării motorului în funcție de condițiile externe și de starea sa.
• Sistemul electric asigură o cantitate suficientă de energie pentru sistemele puse în funcțiune de energie electrică.
• Sistemul de aprindere (la motoarele cu aprindere prin scânteie) asigură aprinderea fiabilă a amestecului în spațiul de ardere.

Reglarea puterii

Puterea motorului cu ardere depinde în principal de cantitatea de energie eliberată prin arderea combustibilului. Cantitatea de energie eliberată poate fi reglată în două moduri.

1. Reglarea cantității amestecului, altfel numită și reglare cantitativă. La o cantitate mai mică de amestec se eliberează mai puțină energie și, prin urmare, motorul va oferi o putere mai mică. Această reglare o folosesc motoarele cu aprindere prin scânteie care nu funcționează cu un amestec omogen. Cel mai adesea, această reglare este realizată prin obtură în conducta de aspirație.
2. Reglarea compoziției amestecului, altfel numită și reglare calitativă. Aceeași cantitate de amestec care conține mai puțin combustibil eliberează mai puțină energie. Această reglare o folosesc în special motoarele cu aprindere prin compresie care funcționează cu un amestec eterogen. Cel mai frecvent, această reglare este reprezentată de schimbarea duratei de injectare a combustibilului.

Componentele amestecului

Combustibile

Cele mai frecvent utilizate ca combustibile sunt hidrocarburile: ușor volatilizabile (benzină), greu volatilizabile (motorină), comprimate gaz metan (CNG), lichefiat propan-butan (GPL), alcool (metanol, etanol).

Se folosesc și amestecuri diverse, sau motorul este folosit ca multi-combustibil cu comutarea combustibilului în timpul mersului. În ultimul timp, în combustibili se încep să se adauge aditivi biologici, cum ar fi esterul metilic al florei de floarea-soarelui (MERO).

Se lucrează intens la înlocuirea combustibililor petrolieri hidrogen.

Aer

În afară de combustibil, componenta necesară a amestecului pentru majoritatea motoarelor cu ardere este aerul, deoarece conține oxigen necesar pentru ardere.

Bilanț energetic

Căldura adusă în combustibil se împarte în motorul cu ardere astfel:

Q_d = Q_e + Q_ch + Q_v + Q_ns + Q_ol + Q_zv

• Q_d - căldura adusă în combustibil
• Q_e - căldura echivalentă lucrului util al motorului
• Q_ch - căldura evacuată în sistemul de răcire
• Q_v - căldura evacuată prin gazele de eșapament
• Q_ns - căldura neutilizată datorită arderii incomplete arderii combustibilului, numită și pierderi chimice
• Q_ol - căldura evacuată prin uleiul de ungere
• Q_zv - căldura neinclusă în termenii anteriori (alte pierderi)

Procentul celor mai semnificative componente ale ecuației este prezentat în tabel, unde Q_d corespunde 100 %.

Energia termică, care cauzează încălzirea motorului și a fumului (Q_ch, Q_v, Q_ol) este neutilizabilă și se numește energie de pierdere.

Din comparația de mai sus rezultă faptul că motorul cu aprindere prin compresie utilizează energia adusă mai eficient, deci funcționează cu o eficiență mai mare.

Din căldura echivalentă lucrului util Q_e se mai consumă o parte pentru pierderile mecanice (frecare și acționarea agregatelor auxiliare agregate).

Emisii

 

Motoarele cu ardere sunt o sursă importantă de emisii

Mai multe informații în articolul principal: Emisii ale vehiculelor de transport

În privința extinderii sale masive, motorul cu ardere aparține surselor importante de poluare a mediului înconjurător. Produsul natural al arderii complete a combustibilului hidrocarburat este

• CO₂ - dioxid de carbon.
• H₂O - apă.

În afară de acestea, apar și alte substanțe dăunătoare:

• NO_x - oxizi de azot, cel mai răspândit fiind oxid de azot. Se formează prin disocierea azotului la temperaturi ridicate și ulterior oxidarea acestuia.
• NH₃ - amoniac. Se formează prin ardere insuficientă a combustibilului.
• CO - monoxid de carbon. Se formează prin ardere incompletă fără acces suficient de aer (oxigen).
• CH_x - hidrocarburi nesăriate. Se formează prin ardere insuficientă a combustibilului.
• SO₂ - dioxid de sulf. Se formează prin arderea impurităților sulf în combustibil.
• O₃ - ozon. Se formează în reacțiile NO_x și CH_x.
• particule solide - solubile sau insolubile (funingine) - în special la motoarele care ard combustibili greu volatilizabili (motoare diesel).
• aldehizi - hidrocarburi parțial oxidate.

Motorul cu ardere este, de asemenea, o sursă importantă de emisii zgomot.

Reducerea emisiilor

În prezent, nu este posibil să înlocuiască în masă motorul cu ardere cu un alt tip de propulsie alternativă, potrivit pentru transportul auto, care să păstreze avantajele motorului cu ardere și să nu aibă dezavantajele acestuia. De aceea, producătorii de motoare și vehicule motorizate lucrează intens la reducerea efectelor negative ale utilizării motoarelor cu ardere.

Pentru reducerea emisiilor se poate folosi una dintre următoarele tehnici:

• Creșterea eficienței motorului. Această tehnică aduce o reducere a consumului de combustibil, ceea ce duce la o reducere proporțională a volumului emisiilor create de motor în condiții altfel identice. Pentru reducerea emisiilor C0₂ această tehnică este singura posibilă, deoarece dioxidul de carbon este produsul arderii complete (și deci curate).
• Folosirea de echipamente suplimentare. Rolul acestor echipamente este de a crește curăția gazelor de eșapament, înainte de a fi evacuate în atmosferă. Realizarea tehnică este prin catalizatori (triple sau care reacționează doar la o anumită componentă) sau filtrarea fumului.
• Modificări constructive ale motorului. Se referă în special la modificarea raportului de compresie, la cronometrajul valvelor, la dimensiunea și forma orificiilor de injectare, la creșterea numărului de valve, la schimbarea formei spațiilor de ardere, la reducerea pierderilor de frecare.
• Influențarea procesului de ardere. Se realizează prin modificarea cronometrajului și volumetrică a injectării, prin utilizarea bujiilor incandescente chiar și la sarcini mici, prin schimbarea curgerii amestecului în cilindru.
• Modificarea combustibilului. Sunt preferate combustibilele cu un conținut mai mare de hidrogen, un conținut mai scăzut de sulf și hidrocarburi policiclice, cu un conținut crescut cetan și octan al.
• Schimbarea ciclului de lucru. Pentru motoarele cu reglare cantitativă este posibilă utilizarea tehnicii de oprire a cilindrilor CDA (Cylinder DeActivation).
• Influențarea umplerii cilindrilor. La sarcini parțiale este posibilă utilizarea tehnicii de recirculare a gazelor de eșapament - EGR (Exhaust Gas Recilculation).