Motorul cu ardere interna

MOTORUL CU ARDERE INTERNA

1.      INTRODUCERE

Nikolaus August Otto (1832-1891) este un inventator german care (pe baza principiului care ii poarta numele) a realizat primul motor cu aprindere interna, in patru timpi, utilizabil pe scara larga.

Otto s-a nascut in Germania, in localitatea Holzhausen. Dupa ce a vazut motorul proiectat si construit de inventatorul francez Etienne Lenoir in 1859, intrezarindu-i uriasul potential tehnic, Otto a inceput o serie de experimentari asupra motoarelor cu ardere interna, experimentari care aveau sa duca la proiectarea si constructia primului motor modern, care a ramas, in principiu, nemodificat pana astazi.

Otto a construit primul motor bazat pe proiectul lui Lenoir in 1861. Si-a unit apoi fortele cu industriasul german Eugen Langen si in 1864 au infiintat o companie, langa Koln, in care au construit primul motor in 1867. Primul motor produs de Otto a fost un motor in doi timpi in care amestecul carburant inlocuieste, in acelasi timp al ciclului de functionare, gazele arse in ciclul de functionare precedent. Acest motor era mult mai eficient decat motorul lui Lenoir, deoarece motorul Otto realiza compresia amestecului carburant inainte de ardere.

In 1876 Otto si Langen au anuntat punerea la punct a unui nou motor, motorul in patru timpi. In al treilea timp al functionarii sale, pistonul transmitea puterea degajata prin explozia gazelor catre arborele cotit al motorului, iar in al patrulea timp pistonul era folosit pentru evacuarea gazelor arse. Noul motor, silentios si eficient, si-a gasit imediat locul in industrie, ramanand drept model pentru cele mai moderne motoare cu combustie interna existente astazi in lume.

Otto si-a patentat ciclul de functionare a motorului in patru timpi in 1877 si a pus bazele unei companii care doar in cativa ani a vandut peste

35 000 de motoare. In 1886, totusi , competitorii lui Otto au aratat ca de fapt principiul de functionare al motorului in patru timpi a fost prezentat pentu prima data (intr-un obscur pamflet) de catre inginerul francez Alphonse-Eugene de Rochas. Chiar daca acest lucru anula patentul lui Otto, motoarele lui au ramas singurele motoare cu ardere interna folosite pe scara larga. In 1890, Wilhelm Maybach si Gottlieb Daimler, doi dintre inginerii companiei lui Otto, si-au deschis propria companie producatoare de automobile, propulsate de motoarele in patru timpi ale lui Otto. Ei au perfectionat vechiul motor si au reusit sa produca, in 1899, primul automobil Mercedes.

2.   COMPONENTELE UNUI MOTOR

Componentele principale ale unui motor sunt in principiu aceleasi, fie ca este vorba despre un motor Diesel, unul in patru timpi sau unul in doi timpi. Camera de ardere este formata dintr-un cilindru, de obicei fix, obturat in partea de sus cu o piesa numita chiuloasa. Miscarea de du-te-vino a pistonului face ca volumul camerei de ardere sa fie variabil, intre fata de sus a pistonului si fata inferioara a chiuloasei. Pistonul este legat de arborele cotit al motorului printr-o piesa de legatura numita biela. Arborele cotit transforma (prin intermediul bielei) miscarea rectilinie a pistonului intr-o miscare de rotatie.

Fig. 1 Componenta unui motor in patru timpi

La motoarele cu mai multi cilindri, arborele cotit are cate o portiune dezaxata (numita maneton) pentru fiecare biela in parte, astfel incat puterea de la fiecare cilindru este transmisa arborelui cotit, la momentul potrivit in timpul rotatiei sale. Arborii cotiti au contragreutati destul de mari (volante), care prin inertia lor micsoreaza la minim neregularitatile aparute in miscarea arborelui. Un motor poate avea intre 1 si 28 de cilindri.

Sistemul de alimentare cu combustibil al motorului este alcatuit din rezervor, pompa de combustibil si un dispozitiv care sa realizeze vaporizarea combustibilului. La motoarele Otto, acest dispozitiv poate fi un carburator sau, mai nou, un sistem de injectie.

La majoritatea motoarelor cu carburator, vaporii de combustibil sunt condusi spre camera de ardere de catre un sistem de conducte numit galerie de admisie, iar gazele arse sunt evacuate printr-o galerie de evacuare. Combustibilul este introdus in fiecare cilindru si gazele arse sunt evacuate prin asa numitele supape de admisie si supape de evacuare. In mod normal valvele sunt mentinute inchise de catre niste resoarte si sunt deschise la momentul necesar de catre niste came pozitionate pe arborele cu came, care angreneaza cu arborele cotit al motorului. Dupa 1980, mai multe sisteme de injectie sofisticate au inlocuit din ce in ce mai mult vechiul carburator. La motorul cu injectie, un sistem controlat mecanic sau electronic introduce cantitatea optima de combustibil direct in cilindru sau in galeria de admisie, exact la momentul optim.

Fig. 2 Sistemul de alimentare prin injectie

Combustibilul se vaporizeaza la intrarea in cilindru. Acest sistem este mult mai eficient decat carburatorul si deasemenea produce mai putina poluare.  

Toate motoarele sunt prevazute cu un sistem de aprindere a amestecului combustibil.

De exemplu, la motoarele Otto sistemul de aprindere este alcatuit

dintr-o sursa de curent continuu de joasa tensiune legata la infasurarea primara a unui transformator, numit bobina de inductie. Curentul este intrerupt de catre ruptor. Pulsatiile curentului din primarul bobinei induc un curent pulsator de inalta tensiune in secundarul bobinei de inductie. Acest curent de inalta tensiune este condus catre cilindru printr- un intreruptor rotativ numit distribuitor.

Elementul care realizeaza aprinderea combustibilului este bujia, care este un conductor izolat plasat in peretele fiecarui cilindru. In partea de jos a bujiei este prevazut constructiv cu interstitiu intre capatul conducatorului izolat si corpul metalic al bujiei. Curentul de inalta tensiune provoaca descarcari sub forma de arc electric, permitand astfel aprinderea amestecului combustibil din camera de ardere.

Fig. 3 Componenta sistemului de aprindere

Datorita caldurii degajate prin combustie, toate motoarele cu ardere interna sunt echipate cu un sistem de racire.

Unele motoare de avion, motoarele mici, stationare si motoarele de barca sunt racite cu aer. Alte motoare sunt racite cu apa.

Spre deosebire de motoarele cu abur sau de turbine, motoarele cu ardere interna au nevoie de un dispozitiv de pornire. Ele sunt in mod normal pornite cu ajutorul unui motor electric sau starter care este angrenat cu arborele cotital motorului. Motoarele mici sunt pornite adeseori manual prin rotirea arborelui cotit cu ajutorul unei manivele sau cu ajutorul unei sfori infasurate de cateva ori in jurul volantei.

3. MOTORUL OTTO

Motorul obisnuit Otto este in patru timpi; aceasta inseamna ca la un ciclu

complet, pistoanele lui executa patru miscari, doua inspre chiuloasa motorului si doua in sens opus acesteia.

Fig. 4  Timpii de lucru la motoarele in patru timpi

Pe durata primului timp (prima miscare a pistonului), pistonul se departeaza de chiuloasa, in acelasi timp deschizandu-se si supapa de admisie. Miscarea pistonului absoarbe in cilindru o anumita cantitate de amestec combustibil; in cel de-al doilea timp, pistonul se deplaseaza inspre partea de sus a cilindrului, comprimand astfel amestecul in camera de ardere. In momentul cand pistonul ajunge in punctul superior al miscarii sale si volumul camerei de ardere este astfel minim, amestecul combustibil este aprins de catre bujii si prin ardere isi mareste volumul, dilatandu-se, si exercitand astfel o presiune considerabila asupra pistonului care este impins inspre partea de jos a cilindrului, in cadrul celui de-a treilea timp.

In cel de-al patrulea timp, supapa de evacuare este deschisa si pistonul se misca inspre partea de sus a cilindrului, impingand afara gazele arse si pregatind cilindrul pentru repetarea ciclului.

Randamentul unui motor Otto modern este limitat de o serie de factori, dintre care cei mai importanti sunt pierderile prin racirea motorului si pierderile prin frecari. In general, randamentul unui astfel de motor este dat de catre raportul de compresie  (raportul dintre volumul maxim si volumul minim al camerei de ardere). Acest raport este in mod normal la motoarele moderne de 8:1 sau 10:1. Rapoarte de compresie mai ridicate, ajungand pana la 15:1 (ceea ce duce la cresterea randamentului), sunt posibile prin utilizarea unor combustibili cu cifra octanica superioara.

Randamentul unui motor Otto modern este de 20-25 %, cu alte cuvinte doar acest procent din energia calorica a combustibilului fiind transformat in energie mecanica utila.