Motoare termice

1. Scoala Centrala Motoare termice De Maiovschi Stefan • Clasa a-X-a E • 4.01.2010

2. Cuprins Scurt istoric • Cum functioneaza? • Alcatuire(Componente) • “Ciclul Carnot” • “Ciclul Otto” • Exemple de motoare termice • Legi fizice (de functionare) • Randament • Cu ce ne ajuta? • Bibliografie

3. Motorul termic • Scurt istoric Otto si-a inceput viata profesionala in postul de comis-voiajor pentru o bacanie din Cologne, dar a devenit tot mai preocupat de tehnologiile care abia apareau in epoca respectiva - mai exact gazele si aburul. Cea mai mare noutate a vremii a fost inventia lui Jean-Joseph-Etienne Lenoir - un motor care ardea gaze naturale. Acesta a fost atasat unei carute si, desi vehiculul se putea misca astfel "pe cont propriu", motorul era extrem de zgomotos si ineficient. Otto s-a gandit ca ar putea imbunatati situatia folosind un combustibil lichid si a inceput sa faca experimente in acest sens. El a construit primul motor cu gaz in anul 1861 si a format un parteneriat cu industriasul german Eugen Langen. Cunoscuta initial sub numele de N.A. Otto & Cie, compania respectiva functioneaza si in prezent, sub numele de Deutz AG. In urma unui accident fericit, Otto a ajuns sa recunoasca valoarea compresiei mixturii de combustibil cu aer inainte de arderea combustibilului respectiv. Astfel s-a nascut ideea ciclului in patru timpi - numit si astazi "Ciclul Otto". Otto si-a petrecut urmatorii cinci ani punand la punct acest proiect, care i-a adus in final medalia de aur pentru 'motorul cu gaz atmosferic' la Expozitia de la Paris, din anul 1867.

4. Cum functioneaza?Alcatuire(componente) • Motorul este dispozitivul ce transforma combustibil(prin ardere,cedand caldura)in lucru mecanic. • Componentele unui motor cu ardere internă cu ciclu în patru timpi:(E) Camă de acţionare a supapei de evacuare, (I) Camă de acţionare a supapei de admisie, (S) Bujie, (V) Supape, (P) Piston, (R) Bielă, (C) Arbore cotit, (W) Cămaşă de apă pentru răcire.

5. În termodinamică, ciclul Carnot este un ciclu teoretic, propus în 1820 de inginerul francez Nicolas Léonard Sadi Carnot, ciclu destinat comparării randamentului termic al maşinilor termice. Este un ciclu reversibil efectuat de o „maşină Carnot” legată la două surse de căldură de temperaturi diferite („sursa caldă” şi „sursa rece”). Foloseşte ca agent de lucru un gaz perfect prin transformările căruia se obţine lucrul mecanic. Ca orice ciclu termodinamic, şi ciclul Carnot poate fi parcurs în sens orar, fiind în acest caz un ciclu motor, sau în sens antiorar (trigonometric), fiind în acest caz un ciclu generator. În cele ce urmează va fi descris ciclul Carnot motor. Ca orice ciclu termodinamic, şi ciclul Carnot poate fi parcurs în sens orar, fiind în acest caz un ciclu motor, sau în sens antiorar (trigonometric), fiind în acest caz un ciclu generator. În cele ce urmează va fi descris ciclul Carnot motor. Este un ciclu în patru transformări: Destindere izotermă reversibilă a gazului la temperatura sursei calde, T . În această transformare destinderea gazului este determinată de absorbţia de căldură la temperatură constantă de la sursa caldă, iar gazul efectuează lucru mecanic asupra mediului. Cantitatea de căldură absorbită de la sursa caldă este notată în lucrările în limba română cu Q. Destindere adiabatică reversibilă (izoentropică) a gazului. În această transformare (B-C în diagrama T-s) gazul continuă să se destindă efectuând lucru mecanic asupra mediului. Deoarece transformarea e adiabatică (fără schimb de căldură), prin destindere gazul se răceşte până la temperatura sursei reci. Comprimare izotermă reversibilă a gazului la temperatura sursei reci, T0. În această transformare (C-D în diagrama T-s) mediul efectuează lucru mecanic asupra gazului, determinând evacuarea căldurii din gaz la temperatura sursei reci. Cantitatea de căldură evacuată la sursa rece este notată în lucrările în limba română cu Q0. Comprimare adiabatică reversibilă (izoentropică) a gazului. În această transformare (D-A în diagrama T-s) mediul continuă să efectueze lucru mecanic asupra gazului. Deoarece transformarea e adiabatică (fără schimb de căldură), prin comprimare gazul se încălzeşte până la temperatura sursei calde. Ciclul lui Carnot

6. Timpul I – Admisia; Timpul II – Compresia; Timpul III – Detenta (arderea) şi destinderea Timpul IV – Evacuarea "Ciclul Otto".

7. Timpul I: Absorbtia. Supapa de admisie este deschisa iar supapa de evacuare este inchisa. Cand pistonul se trage in cilindru, aspira amestecul exploziv de aer si benzina din carburator. • Timpul II: Compresia. Supapa de admisie se inchide si pistonul care intra in cilindru comprima continutul. • Timpul III: Aprinderea . Pistonul a ajuns in capatul de sus al cilindrului. In acest moment, o scanteie electrica se produce in bujie si aprinde amestecul, facandu-l sa impinga pistonul in jos datorita cresterii bruste a volumului amestecului ce tocmai a explodat. • Timpul IV: Evacuarea. Pistonul a ajuns in capatul de jos al cilindrului. Supapa de evacuare se deschide iar pistonul, in virtutea impulsului capatat, se intoarce si evacueaza gazele de ardere prin supapade evacuare.

8. Legea fizica ce sta la baza functionari motorului termic Motorul cu ardere interna • Un amestec de aer si de vapori de benzina sau de alti combustibili lichizi explodeaza atunci cand vine in contact cu o flacara iar forta de expansiune a gazelor formate prin ardere poate deveni forta motoare (lucru mecanic). Pe acest principiu se bazeaza diverse tipuri de motoare cu explozie. Motoarele termice cu piston,transforma energia chimica a combustibilului in energie mecanica si in energie calorica disipativa,energia mecanica manifestandu-se sub forma miscarii rectilinii si alternative a pistoanelor,care este modificata in miscare de rotatie a arborelui cotit cu ajutorul mecanismului biela-manivela.

9. In Timpul III (3->4)– Detenta (arderea) şi destinderea (timpul motor):supapele sunt inchise,bujia produe scanteia si amestecul carburant arde=>caldura ,folosind primul principiu al termodinamici,caldura este transformata in lucru mecanic,provocand coborarea pistonului; Schimbul de enrgie, prin arderea unui combustibil ,din caldura in lucru mecanic sta la baza functionari motorului termic . Timpul motor

10. Masinile termice au la baza lor de functionare principiile I si II ale termodinamicii. • Intr-un sistem perfect izolat, suma energiilor de orice fel pe care le contine ramane constanta. • Din caldura Q data corpului o parte se va transforma in L care se manifesta ca lucru mecanic exterior, o parte U se absoarbe si produce o variatie a energiei interne. Expunerea matematica este urmatoarea: • Q = U + L • Principiul I stabileste numai cantitativ cat lucru mecanic se poate obtine dintr-o cantitate de caldura. • Principiul al II-lea este si calitativ, deoarece se ocupa de calitatea energiilor, adica de posibilitatea unei transformari a lor in lucru mecanic util si arata ca aceasta transformare nu este integral posibila pentru caldura. • Acest principiu se enunta astfel: Daca doua S.T. aflate in stare de echilibru (incalzire) diferite, sunt puse in contact termic dupa un timp in care fiecare dintre ele isi modifica starea de echilibru initala (unul se incalzeste, celalalt se raceste) vor ajunge la o stare comuna de echilibru, diferita de cele doua stari initiale. • Deci, toate masinile termice care functioneaza intre aceleasi limite de temperatura au acelasi randament maxim, adica acelasi coeficient economic ideal. • Principiul al II-lea al termodinamicii ne arata ca pentru ca o masina termica sa poata functiona este absolut nevoie de doua surse de caldura(una calda si alta rece).

11. In timp au existat si alte motoare termice de exemplu: • Maşina lui Watt • La maşina sa inventată în 1769, aburii treceau într-o cameră separată pentru condensare. Deoarece cilindrul nu era încalzit şi răcit alternativ, pirderile de căldură ale maşinii erau relativ scăzute. De asemenea, maşina lui Watt era mai rapidă, pentru că se puteau admite mai mulţi aburi în cilindru odată ce pistonul se întorcea în poziţia iniţială. Aceasta şi alte îmbunătăţiri concepute de Watt au făcut ca maşina cu aburi să poată fi folosită într-o gamă largă de aplicaţii. • În perioada victoriana, locomotive cu aburi puternice revoluţionaseră deja călătoria pe uscat. Maşinile cu aburi au făcut posibile şi tipărirea ziarelor, torsul şi ţesutul textilelor şi acţionarea maşinilor de spălat în "spălătoriile cu aburi". Maşinile cu aburi puneau în mişcare caruselele, iar unii fermieri foloseau energia de abur pentru a ara pămîntul. Antreprenorii de curăţătorii aveau aspiratoare cu aburi, şi la cele mai bune frizerii din oraşe existau chiar şi perii pentru masarea capului acţionate cu aburi. • Motoarele Diesel moderne • Motorul Diesel este un motor cu combustie internă, mai exact este un motor cu aprindere prin compresie, în care combustibilul se detonează doar prin temperatura ridicată creată de comprimarea amestecului aer-carburant, şi nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, aşa cum ar fi bujia în cazul motorului pe benzină. • Motorul operează utilizând ciclul Diesel. • Motoarele Diesel sau pe benzină sunt în 2 timpi sau în 4 timpi. Majoritatea motoarelor sunt în 4 timpi, dar unele motoare mari funționează în 2 timpi, în principal cele de pe nave. Majoritatea locomotivelor moderne folosesc motoare Diesel în 2 timpi, cuplate la generatoare electrice ce acționeză motoare electrice, eliminând nevoia transmisiei. Pentru cresterea presiunii în cilindrii s-a folosit supraalimentarea, mai ales la motoarele Diesel în doi timpi care au două curse utile per rotaţie a arborelului cotit.

12. În mod normal, cilindrii sunt multipli de doi, dar se pot folosi orice număr de cilindri, atât timp cât sunt eliminate vibraţiile excesive. Cea mai folosită configuraţie este cea de 6 cilindrii în linie, dar sunt folosiţi şi 8 cilindrii în V sau 4 în linie. Motoarele de mică capacitate (în special cele sub 5000 cmc) au de obicei 4 (majoritatea lor) sau 6 cilindrii, fiind folosite la autoturisme. Există şi motoare cu 5 cilindrii, un compromis între funcţionarea lină a unuia de 6 cilindrii şi dimensiunile reduse ale unuia de 4 cilindrii. Motoarele Diesel pentru întrebuinţări curente (bărci, generatoare, pompe) au 4, 3 si 2 cilindrii sau un singur cilindru pentru capacităţi mici. • În dorinţa de a îmbunătăţii raportul greutate/putere s-au adus inovaţii privind dispunerea cilindrilor pentru a obţine mai multă putere per cilindree. Cel mai cunoscut este motorul Napier Deltic, cu trei cilindri dispuşi sub formă de triunghi, fiecare cilindru având 2 pistoane cu acţiune opusă, întregul motor având 3 arbori cotiţi. 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, dispuşi orizontal, fiecare cu 2 pistoane cu acţiune opusă concectate la arborele cotit printr-un mecanism de tip culbutor. Deşi ambele soluţii tehnice produceau o putere mare pentru cilindreea lor, motoarele erau complexe, scumpe de produs şi întreţinut, iar când tehnica supraalimentarii s-a îmbunătăţit în anii 1960, aceasta a devenit o solutie viabilă pentru creşterea puterii. • Înainte de 1949, Sulzer a construit, experimental, motoare în doi timpi supraalimentate la 6 atmosfere a căror putere era obţinută cu ajutorul unor turbine acţionate de gazele de evacuare.

13. Motoarele Diesel timpurii • Intenţia lui Rudolph Diesel a fost aceea de a înlocui motorul cu aburi ca sursă primară de energie pentru industrie. Motoarele Diesel de la sfârştul secolului XIX şi începutul secolului XX foloseau aceeaşi formă şi dispunere ca motoarele cu aburi industriale: cilindri cu cursă mare, supape exterioare, chiulase pentru fiecare cilindru şi arbore cotit fără carter, cuplat la un volant enorm. Curând, vor apărea motoare mai mici, cu cilindri verticali, în timp ce majoritatea motoarelor industriale de mărime mare şi medie aveau tot cilindri orizontali, şi întocmai ca motoarele cu aburi, aveau mai mulţi cilindri. Cele mai mari motoare Diesel timpurii erau replici ale celor cu aburi, cu lungimi impresionante, de câţiva metri buni. Acestea funcţionau cu viteze foarte mici, în special datorită motorinei injectate cu ajutorul aerului comprimat, dar şi pentru că trebuiau să corespundă majorităţii utilajelor industriale construite pentru motoarele cu aburi, unde vitezele normale de operare se încadrau între 100 si 300 rotaţii pe minut. Motoarele erau pornite cu ajutorul aerului comprimat, care era introdus in cilindri şi rotea motorul, deşi cele mai mici puteau fi pornite şi manual. • În primele decenii ale secolului XX, când marile motoare Diesel erau montate pe nave, acestea aveau forma motoarelor cu aburi, pistonul împingea o tijă cuplată la o bielă ce rotea arborele motor. Urmînd modelul motoarelor cu aburi, s-au construit motoare cu dublă acţiune, unde arderea avea loc în ambele părţi ale pistonului pentru a mării puterea. Acestea aveau doua rînduri de supape si două sisteme de injecţie. Sistemul permitea, de asemenea, modificarea sensului de rotaţie, prin modificarea timpilor de injecţie. Prin urmare, motorul putea fi cuplat direct la axul elicei, fără a mai fi nevoie de o cutie de viteze. Deşi aveau o putere mare şi erau foarte eficiente, marea problema motoarelor cu dublă acţiune era etanşietatea camerei inferioare de ardere şi a segmenţilor. În anii 1930 s-a descoperit că montarea turbocompresoarelor era o soluţie mai uşoară şi eficientă.

14. Randament Arbore cotit şi pistoane • Randamentul caracterizeaza eficienta cu care un motortermic transforma caldura in lucru mecanic intr-un proces ciclic .El e definit ca raportul dintre”ceea ce se obtine”(lucru mecanic util cedat exteriorului)si “ceea ce se consuma”(caldura obtinuta,prin arderea unui combustibil). • Matemati se pote scrie = L/Q Cu ce ne ajuta? • In viata cotidiana motorul termic e folosit frecvent in mijloacele de transprt(public sau privat)de exemplu: automobil ,vapor, tren ,autobuz,etc.

15. Bibliografie • Gheorghe Frăţilă, Mariana Frăţilă, S. Samoilă Automobile, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 2007 • Doina Trcitu,Mihaela Iancu,Viorica Pop,Stelian Ursu, Fizica manual clasa 7,editura radical 2005 • http://ro.wikipedia.org/wiki/Pagina_principal%C4%83 • http://portal.edu.ro/materiale_ael/DContent/fizica/C11/FIZ13/M6/index.html • Din caiet • Constantin Mantea,Mihaela Garabet,Editura ALL ,clasa X editura didactica si pedagogica • http://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_diesel