5. MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ CU PISTON Spre deosebire de motoarele cu ardere externă (maşinile şi turbinele cu abur

şi cu gaze), la care arderea combustibilului şi degajarea de căldură au loc în afara motorului termic (în focarele generatoarelor de abur sau camerele de ardere a turbinelor cu gaze), la motoarele cu ardere internă căldura este obţinută în interiorul maşinii. Din cauza transformării directe a energiei chimice a combustibilului în căldură în motor şi datorită faptului că produsele arderii (agentul motor) se destinde de la temperaturi mai mari existând diferenţă mare de temperatură între sursele de căldură, consumul de combustibil este mai mic şi deci randamentul efectiv atinge valori mai economice la aceste motoare, decât la motoarele cu ardere externă. Faţă de cele cu ardere externă, motoarele cu ardere internă cu piston prezintă o serie de avantaje; randament mai mare, gabarit şi greutate pe unitatea de putere mai mici, punerea în sarcină se face în timp mal scurt. Motoarele cu ardere internă prezintă şi anumite dezavantaje: necesită combustibili superiori (mai scumpi), pentru realizarea mişcării de rotaţie reclamă prezenţa unui mecanism motor, care face ca la puteri mari, construcţia să devină voluminoasă şi complicată. Părţile principale ale motoarelor cu ardere internă cu piston sunt: mecanismul motor; părţile fixe principale (chiulasa, blocul cilindrilor şi carterul); instalaţiile de alimentare cu combustibil: de reglaj a puterii; distribuţia gazelor, baleiaj (la motoarele în doi timpi); aprindere; răcire; ungere; pornire; admisie a aerului, evacuare a gazelor arse; mecanismele de inversare a sensului de rotaţie (la motoarele navale), cele de reducere a turaţiei (la motoarele navale şi de avion), precum şi dispozitivele auxiliare (pompe, filtre, răcitoare etc.).

5.1. CLASIFICAREA MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ CU PISTON Marea gamă a motoarelor cu ardere internă existente, precum şi provenienţa

unor tipuri de motoare din altele, fac dificilă o clasificare unică a lor după un singur criteriu.

Câteva criterii uzuale de clasificare sunt prezentate în continuare:

A. Combustibilul folosit: 1. Cu combustibil lichid 2. Cu combustibil gazos 3. Cu combustibil gazos + lichid 4. Cu combustibil solid (cărbune pulverizat)

B. Procedeul de formare a amestecului combustibil-aer: 1. Cu formarea amestecului în interiorul cilindrului 2. Cu formarea amestecului în exteriorul cilindrului

C. Procedeul de umplere:

1. Prin admisie naturală 2. Prin supraalimentare

D. Sistemul de aprindere:

1. Aprindere prin scânteie electrică (numită şi cu electroaprindere comandată)

2. Aprindere prin comprimare (autoaprindere) 3. Aprindere prin cap incandescent

E. Tipul ciclului teoretic:

1. Ardere la volum constant 2. Ardere la presiune constantă 3. Ardere mixtă

F. Modul de realizare a ciclului:

1. În 4 timpi 2. În 2 timpi

G. Sistemul de funcţionare:

1. Cu simplu efect 2. Cu dublu efect 3. Cu pistoane opuse

H. Procedeul de răcire

1. Cu lichid 2. Cu aer

I. Construcţia mecanismului ”bielă-manivelă”

1. Fără cap de cruce 2. Cu cap de cruce

J. Număr de cilindri

1. Monocilindrice 2. Policilindrice

K. Dispunerea cilindrilor 1. Verticală (în linie) 2. Orizontală (în linie sau cu cilindri opuşi) 3. Pe două linii paralele 4. În V 5. În W 6. În X 7. În H 8. În stea simplă (sau multiplă) 9. Cu pistoane opuse (în 2 timpi cu unul sau mai mulţi arbori cotiţi)

L. Posibilitate de rotaţie a arborelui

1. Ireversibile (cu rotirea arborelui cotit într-un singur sens) 2. Reversibile (cu rotirea arborelui cotit în ambele sensuri)

M. Rapiditatea (viteza medie a pistonului)

1. Lente (4<wpm<6,5) 2. De viteză medie (6,5< wpm<10) 3. Rapide (wpm>10)

N. Destinaţia

1. Stabile 2. Transport naval 3. Transport feroviar 4. Transport rutier 5. Transport aerian

5.1.1. CLASIFICAREA MOTOARELOR DUPĂ TIPUL PROCESULUI DE ARDERE După modul în care se realizează procesul de ardere motoarele se clasifică în

trei grupe, ciclurile teoretice fiind reprezentate în figura 5.1: - motoare cu ardere la volum constant (fig. 5.1, a) al căror ciclu este denumit

şi ciclul Otto, sau Beau de Rochas. Ele se numesc impropriu motoare cu explozie, deoarece arderea nu are caracterul unei unde explozive, viteza de propagare a flăcării fiind de ordinul a 15...30 m/s.

- motoare cu ardere la presiune constantă (fig. 5.1, b), ciclul teoretic fiind denumit şi ciclul Diesel, el referindu-se la motoarele diesel lente;

- motoarele cu ardere mixtă. Ciclul de referinţă (fig. 5.1, c), cu introducerea căldurii la volum şi presiune constante, poartă denumirea de ciclul Trinkler, Seiliger sau Sabathé, el referindu-se la motoarele diesel rapide.

a b c

Fig. 5.1. Ciclurile teoretice ale motoarelor în patru timpi a) cu ardere la volum constant; b) cu ardere la presiune constantă; c) cu

ardere la volum şi la presiune constante. 5.1.2. CLASIFICAREA MOTOARELOR DUPĂ PROCEDEUL DE APRINDERE A AMESTECULUI CARBURANT Această clasificare cuprinde: - motorul cu aprindere prin scânteie. Aprinderea combustibilului uşor volatil

(benzina) se face de la o sursă exterioară, în mod provocat, cu ajutorul unei scântei electrice sau al unui fir incandescent;

- motorul de aprindere prin comprimare. Aprinderea este provocată de temperatura ridicată a aerului din cilindru rezultată prin comprimare;

- motorul cu cap incandescent, la care aprinderea are loc de la o suprafaţă locală caldă.

Gruparea motoarelor cu ardere internă cu piston după particularităţile

spaţiului de ardere (Tab. 5.1):

Tab. 5.1

MOTOARE CU APRINDERE

PRIN SCANTEIE

MOTOARE CU

APRINDERE PRIN COMPRIMARE

Spatiul de ardere de forma:

Pozitia supapelor de admisie si evacuare :

Spatiul de ardere de forma :

Realizare constructiva

-cilindrica -verticala cu actionare de sus

-cu un singur jet de combustibil

-sferica -inclinata cu actionare de sus

-simpla

-cu doua jeturi de cumbustibil -cu camera de precombustie

-compusa

-verticala cu actionare de jos

-compusa

-cu camera de turbulenta

5.1.3. CLASIFICAREA MOTOARELOR DUPĂ PROCESUL CICLIC După acest criteriu, motoarele se împart în două grupe principale: motoare

patru timp şi în doi timpi, cu simplu sau dublu efect, prin timp înţelegându-se o deplasare a pistonului între două puncte consecutive de volum maxim şi respectiv, minim PME şi PMI*.

- Motoarele în patru timpi. La acestea, durata în care se efectuează ciclul motor corespunde la patru curse simple ale pistonului. În timpul întâi, admisia, pistonul care se mişcă în cilindru din punctul mort interior spre punctul mort exterior creează o depresiune care provoacă aspiraţia unei încărcături proaspete de amestec aer + combustibil, sau numai aer, prin supapa de admisie a deschisă poz. I, (fig. 5.2).

AI doilea timp, comprimarea are loc în urma mişcării pistonului de la PMI spre PME (poziţia II, fig. 5.2). În acest timp ambele supape a şi b, sunt închise, în cilindru având loc comprimarea amestecului proaspăt sau a aerului.

* PME (punct mort exterior) corespunde la p.m.i (punct mort inferior) iar PMI (punct mort

interior) la p.m.s (punct mort superior) in figura 5.2.

Fig. 5.2. Schema de funcţionare a motorului în patru timpi.

La motoarele cu aprindere prin scânteie, amestecul aer + combustibil este

aprins de bujie către sfârşitul cursei de comprimare (avans la aprindere); la motoarele cu autoaprindere, către sfârşitul cursei de comprimare, în masa de aer cald comprimat se injectează combustibilul, care se aprinde (avans , la injecţie).

Al treilea timp, unicul producător de lucru mecanic constituie arderea şi destinderea când pistonul se deplasează de la PMI spre PME (poz. III fig. 5.2). În apropierea punctului mort exterior, spre finalul cursei de destindere, se deschide supapa de evacuare b (cu avans la evacuare), producându-se evaluarea liberă datorită diferenţei de presiune dintre gaze şi atmosferă.

Al patrulea timp este evacuarea gazelor, când pistonul se întoarce din PME spre PMI şi mătură gazele arse, care părăsesc cilindrul, prin supapa b (poz. IV, fig. 5.2).

Procesele gazo-termodinamice la motoarele în patru timpi se desfăşoară pe durata a două rotaţii complete ale arborelui cotit: în consecinţă, arborele de distribuţie ce acţionează supapele trebuie să aibă jumătate din turaţia arborelui cotit.

- Motoarele în doi timpi. La motoarele în patru timpi una din cele patru curse este activă, iar în fazele de evacuare şi admisie motorul joacă rolul unei pompe. Pentru creşte numărul de deplasări motoare într-un ciclu, s-au construit motoare în doi timpi, la care întregul ciclu se realizează pe durata a două curse simple ale pistonului, adică o rotaţie completă a arborelui cotit. La motorul, în doi timpi s-au păstrat timpii principali de comprimare şi destindere, comuni tuturor motoarelor termice, lipsind timpii de aspiraţie şi evacuare, ca timpi independenţi. Aceste două procese de aspiraţie şi evacuare sunt înlocuite prin faze de scurtă

durată, la sfârşitul cursei de destindere şi începutul cursei de comprimare, realizate prin diferite sisteme constructive.

Schema de funcţionare a unui motor în doi timpi, la care evacuarea se realizează prin ferestre şi admisia prin supape, este reprezentată în figura 5.3.

Fig. 5.3. Schema de funcţionare a unui motor în doi timpi.

a) fante de evacuare; b) colector de baleiaj; c) supapă de baleiaj Evacuarea gazelor arse din cilindrul motor de către încărcătura proaspătă are

pătrunde prin orificiile sau supapele de admisie în timp ce orificiile sau supapele de evacuare sunt deschise, se numeşte baleiaj.

Motorul în doi timpi având un număr dublu de faze motoare în aceeaşi perioadă de timp faţă de cel în patru timpi, la dimensiuni identice, puterea sa teoretic este dublă. Din cauza operaţiilor de evacuare şi baleiaj imperfecte şi datorită cursei neactive a pistonului pe durata evacuării şi a baleiajului, puterea motorului în doi timpi este numai cu (60 ... 70)% mai mare ca aceea a motorului. în patru timpi.

5.1.4 CLASIFICAREA MOTOARELOR DUPĂ MODUL DE ACŢIONARE A PISTONULUI Motorul la care arderea se produce numai de o singură parte a pistonului

motor se numeşte motor cu simplu efect. Motorul la care arderea are loc atât pe o parte cât şi pe cealaltă parte a

pistonului se numeşte motor cu dublu efect. Motorul, de obicei in doi timpi, la care în fiecare cilindru sunt câte două

pistoane cuplate mecanic ce se deplasează în direcţii opuse, pistoanele delimitând între ele camera de ardere, este cunoscut sub numele de motor cu pistoane opuse.

La motoarele cu simplu efect, numai spaţiul corespunzător unei feţe este utilizat ca spaţiu activ. Motorul are o lungime constructivă mai mică, mecanismul motor fiind compus din bielă şi arbore cotit (motor cu piston portant). La motoarele cu dublu efect, ambele spaţii corespunzătoare celor două feţe (fig. 5.4) sunt folosite

ca active. Utilizarea acţiunii duble

reclamă o formulă constructivă mai complicată, ungerea şi răcirea mai dificile, în schimb folosirea spaţiului din cilindru este mai judicioasă.

Puterea motorului cu dublu efect este, teoretic, de două ori mai mare decât cea a motorului cu simplu efect şi acelaşi număr de timpi. Deoarece volumul camerei inferioare este mai mic decât cel al camerei superioare, puterea motorului cu dublu efect şi patru timpi este numai

de (1,80... 1,85) ori mai mare decât puterea motoarelor în patru timpi şi cu efect simplu.

Motoarele cu dublu efect se construiesc pentru unităţi care reclamă puteri mari în spaţii reduse, de exemplu pe navele marine.

5.1.5. CLASIFICAREA MOTOARELOR PUPĂ MODUL DE FORMARE A AMESTECULUI CARBURANT

Gruparea motoarelor cu ardere internă cu piston, după modul de realizare a amestecului carburant:

1. Motoare cu formarea amestecului în exteriorul cilindrului şi cu aprindere forţată:

a) motoare cu gaz

Fig. 5.4. Reprezentarea schematică a unui motor cu simplu efect (a) şi cu

dublu efect (b).

b) motoare cu injecţie în conducta de admisie c) motoare cu carburator

2. Motoare cu formarea amestecului în interiorul cilindrului: a) motoare cu aprindere forţată

• motoare cu injecţie directă şi aprindere electrică (bujie) - motoare cu petrol lampant - motoare cu benzină

• motoare cu cap incandescent

- motoare cu combustibil lichid - motoare cu combustibil gazos

b) motoare cu aprindere prin compresie:

• motoare cu combustibil gazos şi adaos de combustibil lichid - motoare cu aspiraţie de aer şi injecţie de combustibil gazos

amestecat cu combustibil lichid - motoare cu aspiraţie de aer-gaz şi injecţie de combustibil

lichid • motoare cu combustibil solid • motoare cu combustibil lichid

- motoare cu autoaprindere cu compresor (injecţie pneumatică)

- motoare cu autoaprindere fără compresor cu injecţie mecanică

- motoare cu cameră de aer auxiliară - motoare cu cameră de turbulenţă - motoare cu cameră de precombustie - motoare cu injecţie directă

1) Motoarele cu formarea amestecului carburant în exterior funcţionează cu

aprindere provocată de o sursă exterioară, obişnuit bujie. Formarea amestecului în exterior făcându-se prin carburaţie, injecţie sau amestecare, rezultă trei subgrupe de asemenea motoare: motoare cu carburator, cu injecţie şi cu gaz.

La motoarele cu carburator, datorită vidului parţial din spaţiul generat de piston in timpul cursei dinspre PMI spre PME amestecul preparat în carburator străbate conducta de admisie 2 şi prin supapa 3 pătrunde în cilindrul motorului 1 din figura 5.5, a.

Carburatorul este format dintr-o cameră de nivel constant, din care combustibilul uşor volatil ajunge la jiclorul 4 (pulverizator), cu orificiu calibrat, plasat în interiorul difuzorului 5. Clapeta de reglare 6 asigură admisia unei cantităţi, mai mari sau mai mici, de amestec in cilindru. Aerul aspirat din exterior, străbate difuzorul cu o viteză relativ mare şi antrenând picături de combustibil care se vaporizează, formează amestecul carburant.

a b c Fig. 5.5. Schemele motoarelor cu formarea în exterior a amestecului carburant:

a) motor cu carburator; b) motor cu injecţie în conducta de admisie; c) motor cu gaze

La motoarele cu injecţie (fig. 5.5, b) combustibilul trimis de pompă prin

conducta 8 este injectat prin injectorul 7 în conducta de admisie 2, prin care se aspiră şi aer. Amestecul aer + combustibil este aspirat în cilindrul motorului, prin supapa 3. Prin modificările aduse în ultimul timp (injecţia combustibilului direct în cilindru), acest tip de motor se încadrează în grupa motoarelor cu formarea interioară a amestecului şi cu aprinderea separată.

La motoarele cu gaz (fig. 5.5, c), prin conducta de admisie dublă 2 formată din conducta de aer 10 şi cea de combustibil gazos 11, prevăzute cu clapetele de reglare 6 se realizează aspiraţia simultană a aerului şi a combustibilului gazos. Cele două fluide sub formă de amestec, realizat în camera 9 (organ amestecător), pătrund prin supapa 3 în cilindru, în care aprinderea este provocată printr-o scânteie.

2) Motoarele cu formarea amestecului carburant în interiorul cilindrului, se subdivid în motoare cu autoaprindere prin comprimare, care au un grad înalt de comprimare, funcţionând cu autoaprindere şi motoare cu grad de comprimare redus şi aprindere forţată (separată).

Caracteristic motoarelor cu autoaprindere este faptul că aspiră aer proaspăt pe care îl comprimă până la presiuni şi temperaturi înalte; combustibilul pulverizat în masa de aer cald, în apropierea PMI se autoaprinde.

După natura combustibilului folosit se deosebesc: motoare cu combustibili gazoşi cu adaos de combustibili lichizi, motoare cu combustibili lichizi (cele mai frecvente) şi motoare cu combustibili solizi. După modul în care se realizează amestecul, motoarele cu combustibili gazoşi şi adaos de combustibili lichizi se subdivid în: motoare cu aspiraţie de aer şi injecţie de combustibil gazos amestecat cu combustibil lichid şi motoare cu aspiraţie de aer-gaz şi injecţie de combustibil lichid.

La motoarele cu autoaprindere şi compresor injecţia se face pneumatic, combustibilul fiind pulverizat şi amestecat în masa aerului cald din cilindru, cu ajutorul aerului comprimat, la presiuni de (70 ... 80) bar, de un compresor separat.

Motoarele cu autoaprindere fără compresor, la care injecţia se face pe cale mecanică, se construiesc în mai multe variante, deosebite între ele după forma camerei de ardere.

Camera de ardere nedivizată (cu injecţie directă) reprezintă spaţiul unic cuprins între capul pistonului şi chiulasă, combustibilul fiind injectat sub presiune între 150-1.500 bar.

În camera de ardere a acestor motoare (nedivizată) se comprimă totalitatea aerului din cilindru, în care combustibilul se injectează direct; arhitectura camerei de ardere se determină prin considerente gazo-termodinamice (camere mulate după forma jeturilor).

5.1.6. CLASIFICAREA MOTOARELOR DUPĂ STAREA DE AGREGARE A COMBUSTIBILULUI FOLOSIT În această categorie intră: - motoarele cu ardere internă folosind combustibili gazoşi care pot fi naturali

(gazul metan şi gazul de sondă), artificiali (gazul de iluminat, de furnal, gaze de cocs, de generator etc.) şi gazoşi lichefiaţi (etilen, butilen şi propilen, etan butan şi propan);

- motoarele cu ardere internă folosind combustibili lichizi. Combustibilii folosiţi pot fi lichizi uşori (benzină, petrol, benzol etc.), lichizi grei, (motorina) şi combustibilii lichizi grei, care trebuie preparaţi înainte de injectare (păcură, amestec de motorină cu păcură, uleiuri de gudroane etc.). În această grupă se încadrează motoarele cu carburator şi motoarele cu injecţie directă a combustibilului motoarele cu autoaprindere şi cele cu cap incandescent;

- motoarele folosind combustibili solizi (praf de cărbune), la care combustibilul (sub formă pulverizată) intră în, organul de formare a amestecului nu au depăşit faza experimentală.

5.1.7. CLASIFICAREA MOTOARELOR DUPĂ DESTINAŢIE (Tab 5.2) Tab. 5.2

Caracteristici Destinatia

Tipuri de motoare

utilizate Puterea [kW]

Masa specifica [Kg/kW]

Turatia de regim

[rot/min] Motoare stationare

-motoare cu autoaprindere fara compresor si cu injectie directa -motoare cu gaz -motoare cu cap incandescent -motoare cu petrol

15…23000

70…136

25…600

Motoare pentru transport naval

-motoare cu autoaprindere de putere mijlocie -motoare cu carburator pentru unitati mici(salupe)

15…7500

15…80

90…300

Motoare pentru tractoare

-motoare cu carburator -motoare cu autoaprinderde si gaz de generator

15…120 9…20 1000…3000

Motoare pentru transport feroviar

-motoare cu autoaprindere -motoare cu carburator(pentru drezine mici)

15…1600

10…50

400…900* 85…2000**

Motoare usoare pentru transport rutier

-motoare cu carburator -motoare cu autoaprindere si gaz de generator

15…120 6…15 2000…4000

Motoare usoare pentru transport aerian

-motoare cu carburator în 4 timpi -motoare diesel rapide

30…3700 0,7…1,4 1400…3500

*la motoarele locomotivelor; **pentru motoarele automotoarelor si drezinelor

5.1.8. CLASIFICAREA MOTOARELOR DUPĂ ORIENTAREA IN SPAŢIU A CILINDRILOR Această clasificare cuprinde: - motorul vertical, are unul sau mai multe rânduri verticale de cilindri, fiecare

rând fiind aşezat deasupra axului arborelui său motor; - motorul orizontal, posedă unul sau mai multe rânduri orizontale de cilindri

situate pe o singură parte a arborelui motor; - motorul inversat dispune de unul sau mai multe rânduri de cilindrii, fiecare

fiind aşezat într-un plan vertical sub axul arborelui său motor; - motorul înclinat, are axele cilindrilor înclinate faţă de un plan vertical; - motorul în linie (fig. 5.6, a) are un singur rând de cilindri, cu axe paralele şi

situate în acelaşi plan vertical, înclinat sau orizontal; - motorul în V (fig. 5.6 b) are două rânduri de cilindri având axele situate în

două , care formează între ele un unghi de 45 sau 90°, iar axele cilindrilor sunt paralele. Soluţia, de dimensiuni mici este adoptată în cazul autovehiculelor, în tracţiunea autovagoanelor şi în aviaţie;

- motorul în W (fig. 5.6, c), cu axele cilindrilor dispuse în trei plane care formează între ele unghiuri egale, axele din acelaşi plan fiind paralele;

- motorul în X (fig. 5.6, d), are axele cilindrilor situate în două plane care se întretaie, cilindrii dintr-un plan fiind dispuşi de o parte şi de alta a singurului arbore cotit. Dacă cele două plane care conţin axele cilindrilor sunt perpendiculare, rezultă motorul în cruce (fig. 5.6, e) ;

- motorul cu cilindri opuşi denumit boxer (fig. 5.6, f), are axele cilindrilor situate in două plane care formează între ele un unghi de 180° ;

- motorul în stea (fig. 5.6, g), are cilindrii în număr impar situaţi în acelaşi plan, iar axele cilindrilor sunt concurente în acelaşi punct. (Avantajul motoarelor în stea constă în faptul că asigură puteri mari în gabarite reduse;

- motorul cu două grupe de cilindri în V (fig. 5.6, h), prezintă două dispoziţii asemănătoare motoarelor în V şi necesită doi arbori cotiţi;

- motorul în H (fig. 5.6, i), are axele cilindrilor în plane paralele, iar cilindrii din acelaşi plan sunt situaţi de o parte şi de alta a arborelui cotit;

- motorul cu pistoane opuse în cilindru comun (fig. 5.6, j), în fiecare cilindru lucrează concomitent două pistoane opuse;

- motorul cu cilindri în V şi pistoane opuse (fig. 5.6, k) a rezultat din combinarea dispunerii cilindrilor corespunzător figurilor 5.6, b şi j.

Adoptarea soluţiei care înglobează pistoanele opuse, se regăseşte şi în construcţia din figura 5.6, l care prezintă schematic motorul cu cilindri paraleli şi pistoane opuse.

Fig. 5.6. Orientarea în spaţiu a cilindrilor din motorul cu ardere internă

La motoarele cu mai mulţi arbori cotiţi, axele cilindrilor sunt situate în mai multe plane, care constituie laturile unui paralelipiped; în fiecare linie de intersectare a două plane fiind amplasată axa unui arbore cotit. Asemenea motoare sunt cele din figura 5.6, m, cu cilindrii dispuşi în triunghi, sau cilindri cu dispoziţia în pătrat (fig. 5.6, n).

5.2. CICLURILE TEORETICE ALE MOTOARELOR CU ARDERE

INTERNĂ CU PISTON 5.2.1. CICLUL TEORETIC GENERALIZAT În motoarele cu ardere internă cu piston, fluidul nu evoluează într-un ciclu

închis, motorul aspirând amestec de aer şi combustibil, sau numai aer, fluide de o anumită compoziţie şi energie potenţială chimică, pentru ca starea fluidului în faza finală (gazele arse) să fie diferită de cea iniţială.

Producerea continuă de lucru mecanic necesită evacuarea gazelor arse şi alimentarea periodică a motorului cu încărcătură proaspătă.

Ciclul teoretic reprezintă o schemă termodinamică simplificată a ciclului real de funcţionare al motorului, servind drept termen de comparaţie pentru motoarele reale, în scopul aprecierii gradului de perfecţiune al proceselor reale de lucru.

Ciclul teoretic al unui motor cu ardere internă se presupune că este parcurs de o cantitate de gaz perfect, omogen pe tot ciclul şi cu căldură specifică constantă. Comprimarea şi destinderea se consideră transformări adiabatice reversibile, iar arderea combustibilului şi evacuarea produselor arderii, procese reversibile de absorbire şi cedare de căldură. De asemenea se admite că motorul este lipsit de pierderi mecanice.

Ciclul teoretic generalizat al motoarelor cu ardere internă cu piston, reprezentat în diagramele din figura 5.7, este cel din care derivă, prin particularizare, toate ciclurile teoretice ale motoarelor cu ardere internă. Ciclul este realizat din: comprimarea adiabatică reversibilă a-c; faza de aport de căldură c-y-z, compusă din încălzirea izocoră c-ν şi încălzirea izobară y-z; destinderea adiabatică reversibilă z-b; faza de cedare de căldură, la început după izocora b-f şi apoi după izobara f-a.

Parametrul constructiv caracteristic ciclului teoretic generalizat este raportul sau gradul de comprimare şi reprezintă raportul dintre volumul Va de la începutul comprimării şi cel de la sfârşitul ei Vc:

c

a

VV

=ε (5.1)

Fig. 5.7 . Ciclul teoretic generalizat al motoarelor cu ardere interna cu piston

Parametrii funcţionali a acestui ciclu sunt: - raportul sau gradul de creştere a presiunii sau temperaturii la arderea

izocoră,

c

y

c

z

pp

pp

==λ (5.2)

- raportul de destindere prealabilă sau de creştere a volumului în încălzirea izobară denumit şi grad de injecţie,

y

z

c

z

VV

VV

==ρ (5.3)

- raportul de scădere a presiunii în răcirea izocoră

f

b

pp

=δ (5.4)

Introducând aceşti parametri în ecuaţiile transformărilor simple care compun

ciclul, se obţin mărimile de stare din vârfurile ciclului, exprimate în funcţie de starea iniţială a agentului evolutiv a (p0, V0, T0).

Randamentul termic al ciclului, definit ca raportul dintre lucrul mecanic rezultat şi consumul de căldură, are expresia, la parcurgerea ciclului de 1 kilogram de gaz perfect,

( ) ( )pv

pvpvt qq

qqqqql

+

+−+== 00η (5.5)

Căldura q = qv – qp introdusă în ciclu şi cea evacuată din acesta q = q0v – q0p la parcurgerea procesului ciclic de un kilogram de agent, se exprimă în funcţie de căldurile specifice, exponentul adiabatic (k = cp/cv) şi variaţia de temperatură în transformările respective:

( )cyvv TTcq −= ; ( )fbvv TTcq −=0 ; ( ) ( )yvvyxpp TTxcTTcq −=−= ; ( ) ( )000 TTxcTTcq fvfpp −=−= ;

Cu expresiile temperaturilor din colţurile ciclului rezultă randamentul termic al ciclului teoretic generalizat, sub forma din care se constată că randamentul ciclului este dependent de modul în care se realizează introducerea căldurii, precizat de parametrii λ şi ρ, de felul în care se face evacuarea căldurii din ciclu, care este determinat de mărimea δ, de raportul de comprimare ε şi de exponentul adiabatic k. În aceleaşi condiţii de introducere şi de cedare a călduri, mărirea raportului de comprimare e duce la creşterea randamentului termic.

Bilanţul exergetic al ciclului teoretic generalizat (fig.5.8) arată că energia căldurii introdusă în ciclul parcurs de un kilogram de agent, eq, se regăseşte în suma dintre lucrul mecanic rezultat şi pierderea de exergie corespunzătoare căldurii evacuate din ciclu eq0:

eq = l + πe = l + eq0 (5.6) iar randamentul exergetic al ciclului este:

q

q

q

qq

qex e

ee

eeel 00 1−=

−==η (5.7)

Fig 5.8. Diagrama bilantului energetic al ciclului teoretic

generalizat.

Fig. 5.9. Reprezentarea in diagrama T-s a marimilor exergetice evacuate din ciclul

teoretic generalizat.

Din exprimarea exergiilor eq şi eq0 cu ajutorul factorilor exergetici θem şi 0emθ ,

ai temperaturilor absolute medii Tm şi 0mT din procesele de încălzire c – y – z,

respectiv de răcire b – f – a (fig. 5.9):

qTT

qem

emq

−== 01θ ;

000

00

0 1 qTT

qem

emq

−== θ ; (5.8)

şi luând în considerare faptul că variaţia de entropie este aceeaşi, în aceste două procese, pentru cele două temperaturi medii rezultă:

sqTm ∆

= ;

sq

Tm ∆= 00 ; (5.9)

Anergiile aq şi aq0, corespunzătoare căldurilor q şi q0, exprimate pe baza definiţiei lor:

( ) sTqTT

qqqeqam

ememqq ∆==−=−=−= 001 θθ ;

( ) sTqTT

qqqeqaem

ememqq ∆==−=−=−= 00000

000

0000 1 θθ ;

conduc la concluzia, evidenţiată de altfel şi în diagrama bilanţului exergetic din figura 5.8, că pe întregul parcurs al ciclului anergia căldurii se menţine constantă; într-adevăr, ciclul fiind teoretic, ireversibilitatea internă a lui este nulă. De aceea, randamentul exergetic reflectă numai ireversibilitatea externă a proceselor din cilindrul motorului, cauzată de interacţiunea agentului termic cu mediul ambiant; pierderea de exergie ∏ =

e qe 0 este deci o consecinţă a diferenţei de temperatură ( 0

mT - T0), de mărime finită, la care are loc evacuarea căldurii q0 din ciclu, în mediul ambiant.

Dacă în expresia (5.7) a randamentului exergetic, se exprimă exergia căldurii q, prin relaţia (5.8):

qll

el

emqex ⋅==

θη ,

iar raportul l/q se substituie cu randamentul termic, pe care îl reprezintă relaţia (5.5), rezultă:

em

tex θ

ηη = , sau emext θηη = , (5.10)

Asemănător prin eliminarea raportului q0/q din relaţiile (5.5) şi (5.7) rezultă:

em

em

t

ex

θθ

ηη 0

11

=−− , (5.11)

şi prin înlocuirea factorului exergetic mediu θem, = ηt/ηex din relaţia (5.10), se obţine expresia dependenţei celor două randamente de factorul exergetic mediu

0emθ : 0

11

11

em

t

ex θ

η

η=

−

−. (5.12)

5.2.2. CICLUL TEORETIC CU ARDERE MIXTĂ În cazul unui motor cu ardere internă cu piston, la care evacuarea se face în

atmosferă, volumul de gaze la sfârşitul destinderii fiind aproximativ egal cu cel de la începutul comprimării Vb = Va, punctul a din ciclul teoretic generalizat (fig. 5.7) se confundă cu punctul f şi ca urmare căldura cedată de un kilogram de agent este:

00 =pq ; ( )abvv TTcqq −== 00 . (5.13)

Acest ciclu teoretic cu ardere mixtă şi cu evacuarea căldurii la volum constant, este reprezentat în diagramele p-v şi T-s din figura 5.10, iar mărimile de stare din colţurile ciclului, exprimate în raport cu parametrii caracteristici ai stării iniţiale şi cu valorile ε, λ şi ρ.

Valoarea pe care o are la acest ciclu teoretic, parametrul funcţional δ: xλρδ = , (5.14)

Fig. 5.10. Ciclul teoretic cu introducerea mixtă a căldurii.

Randamentul termic al ciclului teoretic cu ardere mixtă se obţine din cel al

ciclului teoretic generalizat, prin introducerea condiţiei (5.14):

( ) ( ) 1

111

11 −⋅−+−

−−= x

x

t x ερλλλρη . (5.15)

Randamentul acestui ciclu, depinde de raportul de comprimare ε, de k, şi de λ şi ρ.

Randamentul exergetic al ciclului cu ardere mixtă, este dependent de valorile aceloraşi factori: ε, λ, ρ şi k.

5.2.3. CICLURILE TEORETICE CU ARDERE LA PRESIUNE ŞI VOLUM

CONSTANTE Un caz limită al ciclului teoretic cu ardere mixtă este ciclul la care

introducerea căldurii se face numai la presiune constantă (pentru care din figura 5.10, rezultă: pc = pz = py, adică λ = 1). Acest ciclu (fig. 5.11) aproximează ciclul real al motoarelor cu aprindere prin comprimare (cu autoaprindere), care funcţionează la turaţii mici.

Introducând condiţia λ=1 în relaţia (5.15) rezultă expresia randamentului termic pentru ciclul teoretic, cu introducerea căldurii la presiune constantă:

( ) 1

1111 −⋅

−−

−= x

x

t x ερρη , (5.16)

Randamentul creşte cu mărirea raportului de comprimare ε, dar scade dacă se măreşte gradul de injecţie ρ. La motoarele diesel, deoarece pericolul autoaprinderii nu apare, în cilindrul motorului comprimându-se numai aer, se pot adopta rapoarte de comprimare mai mari, limitate numai de solicitările mecanice ale motorului şi de creşterea frecărilor mecanice. Sporirea prea mare a raportului de comprimare însă nu este justificată, deoarece ea nu determină o creştere evidentă a randamentului termic.

Fig. 5.10. Ciclul teoretic cu introducerea căldurii la presiune constantă.

Valorile obişnuite ale presiunii la sfârşitul fazei de comprimare şi început de ardere sunt cuprinse între 30 şi 35 bar, iar ale raportului ε între 14 şi 18, presiuni necesare pentru asigurarea autoaprinderii combustibilului, (pentru crearea condiţiilor de temperatură) cerute de desfăşurarea procesului de ardere.

În ceea ce priveşte comportarea exergetică a motoarelor cu ardere la presiune

constantă, se observă că ηex > ηt deoarece (mTT0

em 1θ −= ) < 1, căci Tm > T0

La motoarele cu aprindere prin scânteie introducerea căldurii se face numai la volum constant, adică ρ = 1. Din relaţia (5.15) se obţine expresia randamentului termic al ciclului cu introducerea căldurii la volum constant, care aproximează ciclul teoretic al motoarelor cu aprindere prin scânteie:

1

11 −−= xt εη . (5.17)

În timp ce randamentul termic al ciclului creşte o dată cu mărirea raportului de comprimare şi a exponentului adiabatic γ, randamentul exergetic al aceluiaşi ciclu scade pe măsură ce λ se majorează, deoarece amplificarea raportului de creştere a presiunii se reflectă în sporirea factorului exergetic 0

emθ , adică în mărirea gradului de ireversibilitate externă a ciclului.