Notiuni generale despre motoare

Notiuni generale despre motoare

Motorul este o masina care este alimentata cu o anumita energie ( electrica ,energia termica a unui combustibil ) pe care o transforma in energie mecanica. Energia obtinuta este de regula furnizata sub forma unei miscari de rotatie , miscare folosita ulterior pentru  antrenarea autovehiculelor , altor mijloace de transport terestru , navale sau aeriene , a masinilor-unelte si a numeroase aparate de uz casnic

In prezent folosim doua tipuri de motoare : motoare electrice ( alimentate cu curent electric ) si motoare termice ( alimentate cu combustibili lichizi , gazosi si uneori solizi ). Ambele tipuri de motoare  produc energie mecanica. In functie de modul in care energia de alimentare ajunge la motoare se stabileste si domeniul de utilizare al acestora . Motoarele electrice sunt folosite in special acolo unde energia electrica poate fi adusa prin intermediul retelelor electrice : locuinte, masini-unelte, unele mijloace de transport alimentate prin cablu de contact ( tramvaie, troleibuze, metrou, calea ferata ) . Motoarele termice, care functioneaza cu combustibili care pot fi stocati, sunt folosite in special pentru autovehicule rutiere , unele locomotive, vapoare , submarine si aeronave.

O marime fizica deosebit de importanta , randamentul , este net favorabila motoarelor electrice care au in mod curent randamente de 80-90 % , spre deosebire de motoarele termice al caror randament este cuprins intre 25-45 % . Si la capitolul poluare motoarele electrice stau excelent.

Cu toate acestea motoarele termice , datorita autonomiei lor ridicate , echipeaza in prezent majoritatea autovehiculelor.

CLASIFICAREA MOTOARELOR TERMICE

Motoare cu ardere externa la care combustibilul este ars intr-o incinta ( cuptor, focar ) ,iar transformarea energiei termice in energie mecanica se face in alta incinta.

In aceasta categorie intra motorul cu abur si turbine cu abur .

Motoare cu ardere interna la care arderea combustibilului si transformarea caldurii in energie mecanica se face in aceeasi incinta . Constructiv avem motoare cu cilindrii si pistoane si turbine cu gaze.

Motorul cu abur este un motor termic cu ardere externa, care transforma energia termica a aburului in lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs intr-un generator de abur prin fierbere și se destinde intr-un agregat cu cilindri, in care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniara a unui piston, mișcare care de cele mai multe ori este transformata in mișcare de rotație cu ajutorul unui mecanism biela-manivela. Caldura necesara producerii aburului se obține din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleara.

Motoarele cu abur au dominat industria și mijloacele de transport din timpul Revoluției industriale pana in 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 inlocuit in majoritatea acestor aplicații de motorul cu ardere interna și de cel electric.

Motor de locomotiva cu abur

JAMES WATT

Turbina cu abur

Clasificarea motoarelor cu ardere interna

Din punctul de vedere al obținerii lucrului mecanic, aceste motoare se clasifica in:

• motoare cu ardere interna cu piston, cu mișcarea liniara a pistonului, sau rotative;
• motoare cu reacție

La turbinele cu gaze, denumirea de motor se folosește doar pentru cele folosite in aviație, cand se discuta despre intregul motor, adica toate parțile lui, in care se executa ciclul termodinamic, nu doar la discul paletat.

Turbina cu gaze - motor elicopter

Motoarele cu ardere interna rotative sunt utilizate pe scara mai redusa datorita problemelor tehnologice mari si a fiabilitații mai scazute. Cel mai cunoscut tip de motor cu combustie interna rotativ este motorul Wankel, dar exista și alte soluții, de exemplu cu pistoane in foarfece, sau cu diferite alte sisteme.

Motorul Wankel

Dupa natura combustibilului

• motoare la care se intrebuințeaza drept combustibil benzina, au carburator sau pompa de injecție.
• motoare la care se intrebuințeaza drept combustibil motorina, au pompa de injecție.
• motoare cu gaz la care se intrebuințeaza drept combustibil un combustibil gazos, de obicei gaz natural sau un amestec de combustibil.

Motor cu piston in 4 tmpi.

Dupa numarul de curse simple efectuate de piston intr-un ciclu ( sau numarul de timpi)

• motoare in patru timpi;
• motoare in doi timpi.

Caracteristici

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

• Punct mort interior (PMI) (invechit: punct mort superior, PMS) este poziția pistonului care corespunde volumului minim ocupat de fluidul motor in cilindru.^[2] La motoarele cu mecanism biela-manivela, arbore cotit și chiulasa (motorul Wankel n-are nimic din astea, dar are PMI) este poziția pistonului cand aceasta se gasește - in timpul deplasarii sale - la cea mai mare distanța posibila fața de axa arborelui cotit; aceasta poziție coincide cu distanța minima a pistonului fața de chiulasa și este determinata de montajul pistonului in ansamblul mecanismului biela-manivela.

• Punct mort exterior (PME) (invechit: punct mort inferior, PMI) este poziția pistonului care corespunde volumului maxim ocupat de fluidul motor in cilindru.^[2] La motoarele cu mecanism biela-manivela, arbore cotit și chiulasa este poziția pistonului cand aceasta se gasește - in timpul deplasarii sale - la cea mai mica distanța posibila fața de axa arborelui cotit; aceasta poziție coincide cu distanța maxima a pistonului fața de chiulasa și este determinata, de asemenea, de montajul pistonului in ansamblul mecanismului biela-manivela.

• Cursa pistonului este distanța dintre punctul mort interior și punctul mort exterior,^[2] (la motoarele cu mecanism biela-manivela fiind masurata pe generatoarea cilindrului motor) parcursa de piston intre doua schimbari de sens ale deplasarii sale. Pentru motoarele cu mecanism biela-manivela cu excentricitate nula (cazul obișnuit) fiecare cursa a pistonului corespunde unei rotații de 180° a arborelui cotit și este egala cu diametrul () cercului descris de axa geometrica a fusului maneton in jurul axei geometrice a fusurilor paliere (

• Alezajul cilindrului este diametrul interior al cilindrului motor.^[2]

• Volumul minim al camerei de ardere este volumul ocupat de gaze cand pistonul se afla la PMI.^[2] La motoarele cu cilindru și chiulasa este spațiului cuprins intre fundul pistonului, peretele interior al cilindrului motor și chiulasa, in momentul cand pistonul se gasește in punctul mort interior.

• Cilindreea unitara (pe scurt, cilindree) este volumul generat prin deplasarea pistonului in timpul unei curse.^[2]

• Cilindreea totala (pe scurt, litraj) este suma cilindreelor unitare ale tuturor cilindrilor unui motor.^[2]

• Volumul total al cilindrului este volumul maxim ocupat de gaze masurat cand pistonul se afla la PME; volumul total al cilindrului este format din insumarea cilindreei unitare cu volumul camerei de ardere.^[2]

• Raportul de comprimare este raportul dintre volumul total al unui cilindru și volumul camerei de ardere:^[2]

In notația curenta, raportul este exprimat sub forma de fracție zecimala.

• Turația motorului (pe scurt, turație) este numarul de rotații efectuat intr-un minut de arborele cotit,^[3] in timpul funcționarii motorului intr-un anumit regim constant.

Ciclul motor este succesiunea proceselor (transformarilor de stare) care se repeta periodic in cilindrul unui motor.^[4] Convențional, ciclul motor incepe cu procesul de admisiune și se termina cu procesul de evacuare. Intr-un minut un motor efectueaza cicluri.

Un timp al motorului este partea de ciclu motor care se efectueaza intr-o cursa a pistonului.^[4] La motoarele cu excentricitate nula fiecare timp din funcționarea motorului corespunde unui unghi de rotire a arborelui cotit de 180°. In cursul fiecarui timp agentul motor trece prin diferite transformari de stare caracteristice (volum, presiune, temperatura). Uzual se construiesc motoare (care funcționeaza dupa un ciclu) in patru timpi () și motoare in doi timpi ().^[4] Se cunosc și motoare in șase timpi.^[5] La motoarele in patru timpi, deoarece procesele termice corespund aproximativ cu cursele pistonului, timpii poarta numele de admisiune (1), comprimare (2), ardere și destindere (3), respectiv evacuare (4).^[4]

Cu numarul de timpi, legatura dintre numarul de cicluri și turație este:^[3]

Puterea indicata și puterea efectiva a unui motor cu ardere interna

Lucrul mecanic indicat (sau lucrul mecanic ciclic) efectuat in cilindrul unui motor de gazele de ardere in 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 indicata și cilindreea unitara:^[6]

  [ J ]

cu exprimata in bar și in litri.

Puterea indicata a unui motor este suma lucrului mecanic indicat produs in toți cilindrii sai intr-o secunda. Daca cilindrii sunt identici (cazul obișnuit):^[7]

  [ kW ]

Puterea livrata de motor la cupla (ambreiaj) este numita putere efectiva și depinde de randamentul mecanic al motorului (

  [ kW ]

Functionarea motorului cu ardere interna - ciclul de functionare

In prezent exista pe autovehicule trei tipuri de motoare : motoare cu aprindere prin scanteie , motoare cu aprindere prin compresiune ( diesel ) si motoare Wankel ( putin raspandite ). Majoritatea motoarelor sunt in 4 timpi . Timpii reprezinta succesiunea proceselor fizice si chimice care au loc in cilindru avand drept rezultat final transformarea energiei termice a combustibilului in energie mecanica . Un timp se considera ca se desfasoara prin deplasarea pistonului intre cele doua puncte moarte in timp ce arborele cotit executa o miscare de rotatie de 180 grade. Ciclul de functionare in 4 timpi presupune doua rotatii complete ale arborelui cotit.

Timpii motorului

1.Admisia pistonul se deplaseaza de la PMI la PME supapa de admisie fiind deschisa ; datorita depresiunii create prin marirea volumului cilindrului in interiorul acestuia patrunde aer si combustibil la m.a.s. si numai aer la m.a.c.

2. Compresiunea : pistonul se deplseaza de la P.M.E. la P.M.I. ambele supape fiind inchise ; volumul cilindrului ajunge minim , presiunea si temperatura gazelor proaspete cresc foarte mult.Spre sfarsitul timpului de compresiune , cu un anumit avans , la m.a.s. se produce o scanteie electrica intre electrozii bujiei ( curentul fiind furnizat din exterior de catre o instalatie separata ), iar la m.a.c. se injecteaza treptat combustibilul.

3. Arderea si detenta :la m.a.s. combustibilul se aprinde de la scanteie si arde , iar la m.a.c. se autoaprinde din cauza temperaturii ridicate din cilindru de la sfarsitul compresiunii.Temperatura si presiunea cresc foarte mult si in capul pistonului se exercita o forta de apasare foarte mare care duce la deplasarea acestuia de la P.M.I. la P.M.E. Acest timp este singurul care produce lucru mecanic util .

4. Evacuarea : pistonul se deplaseaza de la P.M.E. la P.M.I. supapa de evacuare fiind deschisa.Gazele arse sunt impnse de piston afara , cilindrul este pregatit pentru un nou ciclu.

Diagrama functionare m.a.s Diagramama functionare m.a.c.

Comparatie functionare m.a.s. --- m.a.c.

Admisia : depresiunea p = 0,8 bar.

m . a. s. aspira aer + combustibi

lm . a. c. aspira numai aer

2. Compresiunea :

m. a. s.  presiunea p = 8 - 10 bar. temperatura t = 300-400 grade C

m. a. c.  presiunea p = 30-50 bar temperatura t = 600-700 grade C

3. Arderea si detenta :

m. a. s.  presiunea p = 30-50 bar temperatura t= 2200-2400 grade C

m. a. c.  presiunea p =80-100 bar temperatura t= 1600-2000 grade

Evacuarea : presiunea p = 1,1-1,2 bar temperatura t= 600-700 grade C