Motorul Diesel

       Introducere         

      Motorul diesel este un motor cu ardere internă ce converteste energia chimică în energie mecanica la fel ca ”fratele său” pe benzină. Aceasta energie mecanica mișca pistoanele în sus și în jos în interiorul cilindrilor.Pistoanele sunt conectate la un arbore cotit,  iar mișcarea de sus în jos a pistoanelor este cunoscuta drept mișcare liniară, ce creează mișcarea necesara de rotație pentru a transporta roțile unei mașini înainte.         

      Motorul diesel este un motor cu ardere internă în care combustibilul se aprinde datorită temperaturii ridicate create de comprimarea aerului necesar arderii, și nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, așa cum ar fi bujia în cazul motorului cu aprindere prin scânteie.

     Istorie

       Numele motorului a fost dat după inginerul german Rudolf Diesel la sugestia soției sale, Martha Diesel, care în 1895 îl sfătuiește cu: Nenn ihn doch einfach Dieselmotor! („numește-l pur și simplu motor Diesel!”), ușurînd astfel lui Diesel căutarea după denumirea motorului, pe care l-a inventat în 1892 și l-a patentat pe 23 februarie1893. Intenția lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o gamă largă de combustibili, inclusiv praful de cărbune. Diesel și-a prezentat invenția funcționând în 1900 la Expoziția Universală (World’s Fair) având drept combustibil ulei de alune (vezi biodiesel).

       

Scurtă cronologie

• 1862 – Nicolaus Otto dezvoltă motorul pe bază de gaz de cărbune, similar unui motor pe benzină modern.
• 1891 – Herbert Akroyd-Stuart îmbunatățește motorul său pe bază de ulei și cedează drepturile către Hornsby din Anglia pentru construcția motoarelor. Aceștia au construit primul motor cu aprindere prin comprimare cu start rece.
• 1892 – Motorul Hornsby cu numărul 101 este construit și instalat într-o casă de apă. Acesta se află în muzeul camioanelor MAN din nordul Angliei.
• 1892 – Rudolf Diesel dezvoltă versiunea sa de motor având la bază principiile motorului Carnot alimentat cu praf de carbune. În data de 10 august1893 în Maschinenfabrik Augsburg pornește pentru prima dată motorul inventat de el. Aprinderea carburantului în cilindru produsese o bubuitură atât de puternică, incât a spart niște geamuri și aparate de măsurat, motorul însă rămânând intact. A mai durat însă încă patru ani, pînă motorul a funcționat. El avea o putere de 20 CP. El este angajat de Carl von Linde, apoi de producătorul de fier MAN AG din München și mai tărziu de Sulzer, companie de motoare din Elveția. Diesel împrumută idei de la fiecare și lasă o moștenire bogată firmelor.
• 1892 – John Froelich construiește un tractor cu motor având drept combustibil petrolul.
• 1894 – Witte, Reid, and Fairbanks încep construcția de motoare pe bază de petrol cu diverse sisteme de aprindere.
• 1896 – Hornsby construiește tractoare cu motor diesel și motoare pentru locomotive.
• 1897 – Winton produce și conduce primul automobil pe benzină din Statele Unite; mai târziu construiește fabrici de motoare diesel.
• 1897 – Mirrlees, Watson & Yaryan construiesc primul motor diesel englez cu licență Rudolf Diesel. Acesta este expus în Science Museum din South Kensington, Londra.

Patentul lui Rudolf Diesel din 1893 pe proiectul motorului sau.

         Cum funcționează motorul diesel        

       Comprimarea unui gaz conduce la creșterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul în motoarele diesel. Aerul este aspirat în cilindri și este comprimat de către piston până la un raport de 25:1, mai ridicat decât cel al motoarelor cu aprindere prin scânteie. Spre sfârșitul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizată în camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja încălzit prin comprimare până la o temperatura de circa 700-900 °C. Arderea combustibilului duce la creșterea temperaturii și presiunii, care acționează pistonul. În continuare, ca la motoarele obișnuite, biela transmite forța pistonului către arborele cotit, transformând mișcarea liniară în mișcare de rotație. Aspirarea aerului în cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mărirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mări cantitatea de aer introdusă în cilindri. Folosirea unui răcitor intermediar pentru aerul introdus în cilindri crește densitatea aerului și conduce la un randament mai bun.

        În timpul iernii, când afară este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalică masivă a blocului motor {format din cilindri și chiulasă) absoarbe o mare parte din căldura produsă prin comprimare, reducând temperatura și împiedicând aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de încălzire, de exemplu bujii cu incandescență, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistențe electrice dispuse în galeria de admisie, pentru a încălzi aerul. Sunt folosite și rezistențe electrice montate în blocul motor, tot pentru a ușura pornirea și a micșora uzura. Motorina are un grad mare de vîscozitate, mai ales la temperaturi scăzute, ducând la formarea de cristale în combustibil, în special în filtre, împiedicând astfel alimentarea corectă a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care să încălzească motorina, mai ales în zona rezervorului și a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecție al multor motoare trimite înapoi în rezervor motorina deja încălzită, care nu a fost injectată, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. În prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat și această problemă.

        O componentă vitală a motoarelor diesel este regulatorul de turație, mecanic sau electronic, care reglează turația motorului prin dozarea corectă a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie (Otto), cantitatea de aer aspirată nu este controlată, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme în funcție de sarcină și viteză. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comandă injecția de combustibil și limitează turația motorului prin intermediul unei unități centrale de control care primește permanent semnale de la senzori, dozând corect cantitatea de motorină injectată.

        Controlul precis al timpilor de injecție este secretul reducerii consumului și al emisiilor poluante. Timpii de injecție sunt măsurați în unghiuri de rotație ai arborelui cotit înainte de punctul mort superior. De exemplu, dacă unitatea centrală de control inițiază injecția cu 10 grade înainte de punctul mort superior, vorbim despre un avans la injecție de 10 grade. Avansul la injecție optim este dat de construcția, turația și sarcina motorului respectiv.        Avansând momentul injecției (injecția are loc înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort interior) arderea este completă, la presiune și temperatură mare, dar cresc și emisiile de oxizi de azot. La cealalată extremă, o injecție întârziată conduce la ardere incompletă și emisii vizibile de particule de fum. Următoarea  animație  prezinta ciclul diesel în acțiune.

Injecția directă

        Motoarele moderne folosesc una din următoarele metode de injecție directă.

Injecția directă cu pompă-distribuitor

       Primele motoare diesel cu injecție directă au folosit o pompă de injecție rotativă, cu injectoarele montate în partea superioara a camerei de ardere și nu într-o antecameră. Exemple de vehicule dotate cu astfel de motoare sunt Ford Transit sau Rover Maestro, având ambele motoare fabricate de Perkins. Problema acestor motoare era zgomotul excesiv și emisiile de fum. Din această cauză aceste motoare au fost la început montate doar pe vehicule comerciale – excepția notabilă fiind autoturismul Fiat Croma. Consumul era cu 15 – 20 % mai scăzut decât la un motor diesel cu injecție indirectă, îndeajuns să compenseze, pentru unii, zgomotul produs.

       Primul motor cu injecție directă de mică capacitate, produs în serie a fost conceput de grupul Rover. Motorul cu 4 cilindri, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din 1989, având chiulasa din aluminiu, injecție Bosch în 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire ușoară și un mers lin și economic. Controlul electronic al pompei de injecție a transformat radical acest tip de motor. Pionierul a fost grupul Volkswagen-Audi cu modelul Audi 100 TDI apărut în 1989. Presiunea de injecție era de circa 300 bar, dar momentul injecției, cantitatea de motorină injectată și turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot și emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat și la vehiculele de masă precum Golf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice și mai puternice decât competitorii pe injecție indirectă.

Injecția directă cu rampă comună (common rail)

        La vechile motoare diesel o pompă-distribuitor asigura presiunea necesară la injectoare care erau simple duze prin care motorina era pulverizată în camera de ardere. La sistemele cu rampă comună, distribuitorul este eliminat. O pompă de înaltă presiune menține motorina la o presiune constantă de 1800 bari într-o rampă comună, o conductă unică care alimenteză fiecare injector comandat electromagnetic de mare precizie sau chiar injectoare piezoelectrice (utilizate de Mercedes la motorul diesel cu 6 cilindri în V de 3 L). Majoritatea constructorilor europeni au în gama lor modele echipate cu motoare diesel common rail, chiar și la vehiculele comerciale. Unii constructori japonezi, precum Toyota, Nissan și, mai recent, Honda, au dezvoltat și ei motoare diesel cu rampă comună. Diferiți constructori de automobile au denumiri diferite pentru motoarele lor diesel cu rampă comună. 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. 

 

Injecția directă cu pompă-injector

         Acest tip de sistem injectează, de asemenea, motorina direct în cilindru. Injectorul și pompa formează un corp comun plasat în capătul cilindrului. Fiecare cilindru are propria pompă care alimentează injectorul propriu, fapt ce exclude fluctuațiile de presiune și asigură o injecție consistentă. Acest tip de injecție, dezvoltat de Bosch, este folosit de către autoturismele grupului Volkswagen AG – denumit sistemul pompă-injector – și de către Mercedes Benz și majoritatea fabricanților de motoare diesel mari (CAT, Cummins, Detroit Diesel). Ultimele realizări asigură o presiune de injecție crescută, de până la 2050 bar.  

Tipuri de motoare diesel

Motoarele diesel timpurii

Motor diesel construit de MAN AG in 1906

       Intenția lui Rudolph Diesel a fost aceea de a înlocui motorul cu abur ca sursă primară de energie pentru industrie. Motoarele diesel de la sfârșitul secolului XIX și începutul secolului XX foloseau aceeași formă și dispunere ca motoarele cu abur industriale: cilindri cu cursă mare, fără carter, supape exterioare, chiulase pentru fiecare cilindru și arbore cotit cuplat la un volant enorm. Curând, vor apărea motoare mai mici, cu cilindri verticali, în timp ce majoritatea motoarelor industriale de mărime mare și medie aveau tot cilindri orizontali, și întocmai ca motoarele cu abur, aveau mai mulți cilindri. Cele mai mari motoare diesel timpurii erau replici ale celor cu abur, cu lungimi impresionante, de câțiva metri. Acestea funcționau cu viteze foarte mici, în special datorită motorinei injectate cu ajutorul aerului comprimat, dar și pentru că trebuiau să corespundă majorității utilajelor industriale construite pentru motoarele cu abur, unde vitezele normale de operare se încadrau între 100 și 300 rpm. Motoarele erau pornite cu ajutorul aerului comprimat, care era introdus în cilindri și rotea motorul, deși cele mai mici puteau fi pornite și manual. În primele decenii ale secolului al XX-lea, când marile motoare diesel erau montate pe nave, acestea aveau forma motoarelor cu abur, pistonul împingea o tijă cuplată la o bielă ce rotea arborele motor. Urmând modelul motoarelor cu abur, s-au construit motoare cu dublă acțiune, unde arderea avea loc în ambele părți ale pistonului pentru a mări puterea. Acestea aveau doua rânduri de supape și două sisteme de injecție. Sistemul permitea, de asemenea, modificarea sensului de rotație, prin modificarea timpilor de injecție. Prin urmare, motorul putea fi cuplat direct la axul elicei, fără a mai fi nevoie de o cutie de viteze. Deși aveau o putere mare și erau foarte eficiente, marea problema motoarelor cu dublă acțiune era etanșietatea camerelor de ardere. În anii 1930 s-a descoperit că montarea turbocompresoarelor era o soluție mai ușoară și eficientă.

Motoarele diesel moderne

       Motoarele diesel sau cu aprindere prin comprimare sunt în doi sau în patru timpi. Majoritatea motoarelor sunt în patru timpi, dar unele motoare mari funcționează în doi timpi, de exemplu cele de pe nave. Majoritatea locomotivelor moderne folosesc motoare diesel în doi timpi, cuplate la generatoare electrice ce acționează motoare electrice, eliminând nevoia transmisiei. Pentru creșterea presiunii în cilindri s-a folosit supraalimentarea, mai ales la motoarele diesel în doi timpi care au câte o cursă utile la fiecare rotație a arborelui cotit.        În mod normal, cilindrii sunt multiplu de doi, dar se poate folosi orice număr de cilindri, atât timp cât sunt eliminate vibrațiile excesive. Cea mai folosită configurație este cea de 6 cilindri în linie, dar sunt folosiți și 8 cilindri în V sau 4 în linie. Motoarele de mică capacitate (în special cele sub 5000 cmc) au de obicei 4 (majoritatea lor) sau 6 cilindri, fiind folosite la autoturisme. Există și motoare cu 5 cilindri, un bun compromis între funcționarea lină a unuia de 6 cilindri și dimensiunile reduse ale unuia de 4 cilindri. Motoarele diesel pentru întrebuințări curente (bărci, generatoare, pompe) au 4, 3, 2 sau chiar un singur cilindru pentru capacități mici.

        În dorința de a îmbunătății raportul greutate/putere s-au adus inovații privind dispunerea cilindrilor pentru a obține mai multă putere per cilindree. Cel mai cunoscut este motorul Napier Deltic, cu trei cilindri dispuși sub formă de triunghi, fiecare cilindru având 2 pistoane cu acțiune opusă, întregul motor având 3 arbori cotiți. Compania de camioane Commer din Marea Britanie a folosit un motor asemănător pentru vehiculele sale, proiectat de Tillings-Stevens, membru al Grupului Rootes, numit TS3. Motorul TS3 avea 3 cilindri în linie, dispuși orizontal, fiecare cu 2 pistoane cu acțiune opusă conectate la arborele cotit printr-un mecanism de tip culbutor. Deși ambele soluții tehnice produceau o putere mare pentru cilindreea lor, motoarele erau complexe, scumpe de produs și întreținut, iar când tehnica supraalimentarii s-a îmbunătățit în anii 1960, aceasta a rămas o soluție marginală pentru creșterea puterii. Înainte de 1949, Sulzer a construit, experimental, motoare în doi timpi supraalimentate la 6 bar, presiune obținută cu ajutorul unor turbine acționate de gazele de evacuare.

        Actual toți producatorii de autoturisme inclusiv VW folosesc injecția common rail, deoarece este mai silențioasă și dezvoltă putere mai mare dar este mai sensibilă la motorină!

Bibliografie

http://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_diesel

L. Cummins Jr., Diesel’s Engine — From Conception to 1918, Carnot Press, 1993

http://auto.howstuffworks.com/diesel1.htm