Motorul cu abur cu piston, impropriu denumit maşină cu abur, utilizează energia furnizată de aburul de înaltă presiune. Energia pe care o eliberează aburul prin detentă poate fi folosită (prin transformare într-o mişcare de rotaţie) la acţionarea maşinilor.
Aburul de înaltă presiune este admis într-un cilindru în care se găseşte un piston. Aburul expandează în cilindru şi împinge pistonul, efectuînd astfel un lucru mecanic. Cînd pistonul ajunge la capătul cilindrului, respectiv la punctul mort sau de întoarcere, aburul destins se evacuează, iar aburul proaspăt este admis în partea opusă. Aburul proaspăt admis acum în compartimentul cilindrului opus celui în care s-a produs expandarea, acţionează asupra pistonului, deplasîndu-l înapoi spre punctul de pornire, devenit acum noul punct de întoarcere.
https://www.youtube.com/watch?v=D5k17ZLrc_s
O astfel de maşină se numeşte cu dublu efect, deoarece aburul acţionează alternativ pe ambele feţe ale pistonului, în timp ce pe una dintre feţele pistonului se face admisia aburului, pe faţa opusă a pistonului se efectuează evacuarea aburului destins. Schimbarea direcţiei de acţionare a aburului, adică conducerea aburului proaspăt la faţa corespunzătoare a pistonului, precum şi evacuarea aburului destins, o efectuează un dispozitiv de distribuţie numit sertar (la unele tipuri, schimbarea de sens se face prin supape, ca la motorul cu ardere internă). Cel mai folosit tip de sertar este sertarul plan, care obturează alternativ fantele de admisie şi,respectiv, de evacuare a aburului, punînd succesiv fiecare dintre spaţiile de lucru ale cilindrului maşinii în legătură cu camerele de admisie şi de evacuare a aburului. Poziţiile succesive ale sertarului sînt corelate cu poziţiile corespunzătoare ale pistonului, astfel încît sertarul să se afle într-o poziţie care să permită ca pe o faţă a pistonului să se facă admisia aburului proaspăt, iar pe cealaltă faţă evacuarea aburului destins. Sertarul execută o mişcare de du-te-vino, fiind acţionat de un excentric calat la arborele cotit. Deplasarea sa se face în
Comanda cu sertar
sens invers cu a pistonului. La ieşirea din maşină, aburul evacuat se condensează într-un condensator. în unele cazuri, cum este la locomotivele cu abur, aburul este evacuat în atmosferă.
La maşinile compound, expansiunea se efectuează succesiv în mai mulţi cilindri, dispuşi cu axele paralele, în trepte succesive. La aceste maşini, pistoanele au, în general, aceeaşi cursă, fiind acţionate de acelaşi arbore cotit. Deoarece la scăderea presiunii volumul aburului se măreşte la destindere, în cazul unei maşini compound cu trei cilindri diametrul pistonului la treapta a doua (treapta presiunii medii) este mai mare dedt la prima treaptă (treapta presiunii înalte), iar la treapta a treia (treapta presiunii joase) este mai mare decît la treapta presiunii medii. Lucrul mecanic efectuat de piston se transmite la arborele motor prin intermediul unui mecanism bielă-manivelă articulat la un cap de cruce, care execută o mişcare de du-te-vino într-un ghidaj cu glisare. Tija pistonului este articulată solidar la capul de cruce, iar biela este articulată mobil la un cap de capul de cruce şi la celălalt cap la butonul manivelei sau la cotul arborelui motor.
Cînd pistonul şi capul de cruce execută mişcarea de du-te-vino, capul de cruce transmite această mişcare prin intermediul bielei arborelui cotit, producînd o rotire. Un volant montat pe un capăt al arborelui cotit, asigură o rotire uniformă, nesacadată.
Maşinile cu abur se folosesc la instalaţiile industriale mici şi medii (sub 1 000 CP) şi la instalaţiile stabile cu sarcini variabile mari, ca, de exemplu, la instalaţiile de ridicat (în mine), la acţionarea laminoarelor, la unele nave, la locomotivele cu abur etc. Energia conţinută în cărbune este valorificată numai 15—18%, chiar în maşinile cele mai perfecţionate.
TUrbina cu aburi:
Turbina este o masina termica rotativa care transforma energia potentiala a aburului in energie cinetica si pe aceasta in energie mecanica.
Principiul de functionare al turbinelor cu abur este complet diferit de cel al masinilor alternative.
Diferenta consta in modul in care lucreaza aburul in turbina, precum si modul in care se obtine energia mecanica la flansa de putere a acestor masini:
- Miscarea de rotatie este mult mai simpla decit miscarea alternativa, iar fortele neechilibrate, care apar in miscarea alternativa si produc vibratii, pot fi eliminate in cazul turbinelor cu aburi.
- Transformarea energetica este continua - fapt ce face ca masina sa dezvolte puteri foarte mari.
- Fortele dinamice sunt doar de tip centrifugal, care se echilibreaza usor. Forta neechilibrata este incomparabil mai mica decit in cazul masinilor alternative, iar functionarea turbinelor este mult mai lina. Acest lucru face ca oboseala materialului sa fie redusa, iar fundatia turbinei sa fie foarte usoara.
- Punctele de frecare se intilnesc numai in lagare - fapt ce duce la un consum redus de ulei, uzuri reduse si randament mecanic ridicat.
http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/TURBINE-CU-ABUR13427213.php
La proiectarea si implicit constructia unei turbine cu abur navale este necesar a se avea in vedere urmatorii factori principali:
- puterea maxima dezvoltata, pentru a asigura viteza de deplasare a navei;
- timpul necesar de functionare la putere maxima;
- timpul necesar de functionare la viteza de mars;
- reglarea debitului, presiunii si temperaturii aburului functie de regimul de functionare;
- timpul de transmisie a puterii la elicea navei;
- cerintele impuse pentru marsul inapoi;
- spatiul limitat in aranjamentul salii masini;
- importanta dimensiunilor si a greutat
Motorul cu ardere interna
Nikolaus August Otto (1832-1891) este un inventator german care (pe baza principiului care îi poarta numele) a realizat primul motor cu aprindere interna, în patru timpi, utilizabil pe scara larga.
Otto s-a nascut în Germania, în localitatea Holzhausen. Dupa ce a vazut motorul proiectat si construit de inventatorul francez Etienne Lenoir în 1859, 323j913d întrezarindu-i uriasul potential tehnic, Otto a început o serie de experimentari asupra motoarelor cu ardere interna, experimentari care aveau sa duca la proiectarea si constructia primului motor modern, care a ramas, în principiu, nemodificat pâna astazi.
Otto a construit primul motor bazat pe proiectul lui Lenoir în 1861. si-a unit apoi fortele cu industriasul german Eugen Langen si în 1864 au înfiintat o companie, lânga Koln, în care au construit primul motor în 1867. Primul motor produs de Otto a fost un motor în doi timpi în care amestecul carburant înlocuieste, în acelasi timp al ciclului de functionare, gazele arse în ciclul de functionare precedent. Acest motor era mult mai eficient decât motorul lui Lenoir, deoarece motorul Otto realiza compresia amestecului carburant înainte de ardere.
În 1876 Otto si Langen au anuntat punerea la punct a unui nou motor, motorul în patru timpi. În al treilea timp al functionarii sale, pistonul transmitea puterea degajata prin explozia gazelor catre arborele cotit al motorului, iar în al patrulea timp pistonul era folosit pentru evacuarea gazelor arse. Noul motor, silentios si eficient, si-a gasit imediat locul în industrie, ramânând drept model pentru cele mai moderne motoare cu combustie interna existente astazi în lume.
Otto si-a patentat ciclul de functionare a motorului în patru timpi în 1877 si a pus bazele unei companii care doar în câtiva ani a vândut peste
35 000 de motoare. În 1886, totusi , competitorii lui Otto au aratat ca de fapt principiul de functionare al motorului în patru timpi a fost prezentat pentu prima data (într-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. În 1890, Wilhelm Maybach si Gottlieb Daimler, doi dintre inginerii companiei lui Otto, si-au deschis propria companie producatoare de automobile, propulsate de motoarele în patru timpi ale lui Otto. Ei au perfectionat vechiul motor si au reusit sa produca, în 1899, primul automobil Mercedes.
Motorul diesel
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.
Numele motorului a fost dat după inginerul german Rudolf Diesel, care l-a inventat în 1892 şi l-a patentat pe 23 februarie 1893. Intenţia lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o varitate largă de combustibili inclusiv praful de cărbune. Diesel şi-a prezentat invenţia funcţionând în 1900 la Expoziţia Universală (World's Fair) utilizănd ulei de alune (vezi biodiesel).
Scurtă cronologie
* 1862 - Nicolaus Otto dezvoltă motorul pe bază de gaz de carbune, similar unui motor pe benzină modern.
* 1891 - Herbert Akroyd-Stuart îmbunatăţeşte motorul său pe bază de ulei si cedează drepturile către Hornsby din Anglia pentru construcţia motoarelor. Aceştia au construit primul motor cu aprindere prin compresie cu start rece.
* 1892 - Motorul Hornsby cu numărul 101 este construit şi 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. El este angajat de geniul refrigerării Carl von Linde, apoi de producătorul de fier MAN AG din München şi mai tărziu de Sulzer, companie de motoare din Elveţia. Diesel împrumută idei de la fiecare şi lasă o moştenire bogată firmelor.
* 1892 - John Froelich construieşte un un tractor cu motor avănd combustibil petrolul.
* 1894 - Witte, Reid, and Fairbanks încep construcţia de motoare pe baza de petrol cu o varietate de sisteme de aprindere.
* 1896 - Hornsby construieşte tractoare diesel şi motoare pentru locomotive.
* 1897 - Winton produce şi conduce primul automobil pe benzină din Statele Unite; mai tărziu construieşte fabrici de motoare diesel.
* 1897 - Mirrlees, Watson & Yaryan construiesc primul motor diesel englez cu licenţă Rudolf Diesel. Acesta este expus în Science Museum din South Kensington, Londra.
Cum funcţionează motorul diesel
Comprimarea unui gaz conduce la creşterea 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 apindere prin scânteie. Spre sfârșitul cursei de compresie, motorina este pulverizată în camera de ardere prin intermediul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul care a fost încălzit până la o temperatura de circa 700-900°C (1300-1650°F). Arderea combustibilului duce la cresterea temperaturii şi presiunii, punând în mișcare pistonul. 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 capătul cilindrului. 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.
Atunci când afară este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa masivă a metalului blocului motor (format din cilindri şi chiulasă) absoarbe căldura produsă prin compresie, împiedicând aprinderea. Unele motoare folosesc dispozitive electrice de încălzire, denumite bujii cu incandescență, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistenţe 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 viscozitate, mai ales la temperature 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 şi a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecţie 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 şi această problemă.
O componentă vitală a motoarelor diesel este regulatorul de turaţie - mecanic sau electronic, care reglează turaţia 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 funcţie de sarcină şi viteză. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic comandă injecţia şi limiteză turaţia motorului prin intermediul unei unităţi centrale de control care primeşte permenent semnale de la senzori, dozând corect cantitatea de motorină injectată.
Controlul precis al timpilor de injecţie este secretul reducerii consumului şi al emisiilor poluante. Timpii de injecţie sunt măsuraţi în unghiuri de rotaţie ai arborelui cotit înainte de punctul mort superior. De exemplu, dacă unitatea centrală de control iniţiază injecţia cu 10 grade înainte de punctul mort superior, vorbim despre un timp de injecţie de 10 grade. Timpul optim de injecţie este dat de construţia, viteza şi sarcina motorului respectiv.
Avansând momentul injecţiei (injecţia are loc înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort superior) arderea este efiecientă, la presiune şi temperatură mare, dar cresc şi emisiile de oxizi de azot. La cealalată extremă, o injecţie întârziată conduce la arderi incomplete şi emisii vizibile de particule de fum.
Injectia combustibilului la motoarele diesel
Primele sisteme de injectie
Motorul diesel modern este o îmbinare a creaţiilor a doi inventatori. În mare, rămâne fidel conceptului original al lui Rudolf Diesel, adică combustibilul este aprins prin compresia aerului din cilindru. Însă, aproape toate motoarele diesel de azi folosesc aşa-numitul sistem de injecţie solidă, inventat de Herbert Akroyd Stuart, pentru motorul său cu cap incandescent (un motor cu aprindere prin compresie care precedase motorul diesel, dar funcţionează oarecum diferit). În cazul injecţiei solide, combustibilul este adus la o presiune extremă cu ajutorul unor pompe şi introdus în camera de ardere prin intermediul unor injectoare şi a aerului comprimat, într-o stare aproape solidă. La început, combustibilul era injectat în motorul Diesel cu ajutorul aerului comprimat care îl pulveriza în cilindru. Mărimea compresorului de aer era atât de mare, încât primele motoare diesel erau foarte grele şi voluminoase în raport cu puterea produsă, mai ales datorită antrenării unor astfel de compresoare. Primele motoare montate pe nave aveau un motor auxiliar dedicat antrenării compresorului de injecţie. Sistemul era prea mare şi greoi pentru a fi folosit în industria auto.
Injectia controlata mecanic si electronic
Motoarele din vechile generaţii utilizau o pompă mecanică şi un mecanism cu supape antrenate de arborele cotit, de obicei prin intermediul unui lanţ sau curele. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supapă şi arc, care se deschideau/închideau la o anumită presiune a combustibilului. Pompa consta dintr-un cilindru care comprima motorina şi o supapă sub formă de disc care se rotea la jumătate din turaţia arborelui cotit. Supapa avea o singură deschidere pe o parte, pentru combustibilul sub presiune şi o alta pentru fiecare injector. Pe masură ce se rotea, discul supapei distribuia fiecărui injector o cantitate precisă de combustibil la mare presiune. Supapa injectorului era acţionată de presiunea motorinei injectate atât timp cât discul se rotea în dreptul deschiderii fiecărui cilindru. Regimul motorului era controlat de un al treilea disc care se rotea doar câteva grade şi era acţionat de o pârghie. Acest disc controla deschiderea prin care trecea combustibilul, controlând astfel cantitatea de motorină injectată. Vechile motoare diesel puteau fi pornite, din greşeală, şi în sens invers, deşi funcţionau ineficient datorită ordinii de aprindere dereglate. Aceasta era de obicei consecinţa pornirii maşinii într-o treaptă de viteză greşită. Motoarele moderne au o pompă de injecţie care asigură presiunea necesară injecţiei. Fiecare injector este acţionat electro-magnetic prin intermediul unei unităţi centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injecţiei în funţie de turaţie şi sarcină, având ca rezultat performanţe mărite şi un consum scăzut. Design-ul simplificat al ansamblului pompă-injector a condus la construcţia de motoare mai fiabile şi silenţioase.
Injectia indirecta
În cazul motorului diesel cu injecţie indirectă, motorina nu este injectată direct în camera de ardere, ci într-o pre-cameră unde arderea este iniţiată şi se extinde apoi în camera de ardere principală, antrenată de turbulenţa creată. Sistemul permite o funcţionare liniştită, şi deoarece arderea este asistată de turbulenţă, presiunea de injecţie poate fi mai scăzută, deci sunt permise viteze de rotaţie mari (până la 4 000 rpm), mult mai potrivite autoturismelor. Precamera avea dezavantajul pierderilor mari de căldură, ce trebuiau suportate de către sistemul de răcire şi a unei eficienţe scăzute a arderii, cu până la 5-10% mai scăzută faţă de motoarele cu injecţie directă. Aproape toate motoarele trebuiau să aibă un sistem de pornire la rece, ca de exemplu bujii incandescente. Motoarele cu injecţie indirectă au fost folosite pe scară mare în industria auto şi navală începând din anii timpurii 1950 până în anii 1980, când injecţia directă a progresat semnificativ. Motoarele cu injecţie indirectă sunt mai ieftine şi mai uşor de construit pentru domeniile de activitate unde emisiile poluante nu sunt o prioritate. Chiar şi în cazul noilor sisteme de injecţie controlate electronic, motoarele cu injecţie indirectă sunt încet înlocuite de cele dotate cu injecţie directă, care sunt mult mai eficiente.
În perioada de dezvoltare a motoarelor diesel din anii 1930, diferiţi contructori au pus la punct propriile tipuri de precamere de ardere. Unii constructori, precum Mercedes-Benz, aveau forme complexe. Alţii, precum Lanova, utilizau un sistem mecanic de modificare a formei precamerei, în fucţie de condiţiile de funţionare. Însă, cea mai folosită metodă a fost cea în formă de spirală, concepută de Harry Ricardo ce folosea un design special pentru a crea turbulenţe. Majoritatea producătorilor europeni au folosit acest tip de precamere sau şi-au dezvoltat propriile modele (Mercedes Benz şi-a menţinut propriul design mulţi ani).
Injectia directa
Motoarele moderne folosesc una din urmatoarele metode de injectie directa.
Injectia directa cu pompa-distribuitor
Primele motoare diesel cu injecţie directă au folosit o pompă de injecţie rotativă, cu injectoarele montate în partea superioara a camerei de ardere şi nu într-o precameră. 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 şi emisiile de fum. Din această cauză aceste motoare au fost la început montate doar pe vehicule comerciale - excepţia notabilă fiind autoturismul Fiat Croma. Consumul era cu 15% până la 20% mai scăzut decât la un motor diesel cu injecţie indirectă, îndeajuns să compenseze, pentru unii, zgomotul produs.
Primul motor cu injecţie directă de mică capacitate, produs în serie a fost conceput de grupul Rover. Motorul în 4 cilindrii, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din 1989, având chiulasa din aluminiu, injecţie Bosch în 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire uşoară şi un mers lin şi economic.
Controlul electronic al pompei de injecţie a trasformat radical acest tip de motor. Pionierul a fost grupul Volkswagen-Audi cu modelul Audi 100 TDI apărut în 1989. Presiunea de injecţie era de circa 300 bari, dar momentul injecţiei, cantitatea de motorină injectată şi turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot şi emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat şi la vehiculele de masă precum Golf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice şi mai puternice decât competitorii pe injecţie indirectă.
Injectia directa cu rampa comuna (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 menţine motorina la o presiune constantă de 1800 bari într-o rampă comună, o conductă unică care alimenteză fiecare injector comandat electro-magnetic de mare precizie sau chiar injectoare piezo-electrice (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 şi la vehiculele comerciale. Unii constructori japonezi, precum Toyota, Nissan şi, mai recent, Honda, au dezvoltat şi ei motoare diesel cu rampă comună.
Diferiţi constructori de automobile au denumiri diferite pentru motoarele lor diesel common rail. 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.
Injectia directa cu pompa-injector
Acest tip de sistem injectează, de asemenea, motorina direct în cilindru. Injectorul şi pompa formează un corp comun plasat în capătul cilindrului. Fiecare cilindru are propria pompă care alimentează injectorul propriu, fapt ce exclude fluctuaţiile de presiune şi asigură o injecţie consistentă. Acest tip de injecţie, dezvoltat de Bosch, este folosit de către autoturismele grupului Volkswagen AG - denumit sistemul pompă-injector - şi de către Mercedes Benz şi majoritatea fabricanţilor de motoare diesel mari (CAT, Cummins, Detroit Diesel). Ultimele realizări asigură o presiune de injecţie crescută, de până la 2050 bar.
Tipuri de motoare diesel
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 mororul, 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.
Motoarele diesel moderne
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.
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.
Sursa : L.Cummins Jr., Diesel's Engine - From Conception to 1918
Motorul electric
Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situații diferite.
Motoare electrice de diferite puteri în comparație cu o baterie de 9 V
Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs de
curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă și motoare electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice.
Fiind construite într-o gamă extinsă de puteri, motoarele electrice sunt folosite la foarte multe aplicații: de la motoare pentru componente electronice (
hard disc,
imprimantă) până la
acționări electrice de puteri foarte mari (pompe, locomotive, macarale).
Motoarele electrice pot fi clasificate după tipul curentului electric ce le parcurge: motoare de curent continuu și motoare de curent alternativ. În funcție de numărul fazelor curentului cu care funcționează, motoarele electrice pot fi motoare monofazate sau motoare polifazate (cu mai multe faze).
Funcționează pe baza unui curent ce nu-și schimbă sensul, curent continuu. În funcție de modul de conectare al înfășurării de excitație, motoarele de curent continuu se împart în patru categorii:
Mașinile electrice asincrone sunt cele mai utilizate mașini în acționările cu mașini de curent alternativ. S-au dat mai multe definiții în ceea ce privește mașina electrică asincronă. Două dintre cele mai folosite definiții din domeniul acționărilor electrice sunt:
1.O mașină asincronă este o mașină de curent alternativ pentru care viteza în sarcină și frecvența rețelei la care este legată nu sunt într-un raport constant.
2.O mașină este asincronă dacă circuitului magnetic îi sunt asociate două sau mai multe circuite ce se deplasează unul în raport cu celălalt și în care energia este transferată de la partea fixă la partea mobilă sau invers prin fenomenul inducției electromagnetice.
O caracteristic a mașinilor asincrone este faptul că viteza de rotație este puțin diferită de viteza câmpului învârtitor, de unde și numele de asincrone. Ele pot funcționa în regim de generator (mai puțin răspândit) sau de motor. Cea mai largă utilizare o au ca motoare electrice (în curent trifazat), fiind preferate față de celelalte tipuri de motoare prin construcția mai simplă (deci și mai ieftină), extinderea rețelelor de alimentare trifazate și prin siguranța în exploatare.
La aceste motoare, viteza scade puțin cu sarcina; din acest motiv caracteristica lor mecanică se numește caracteristică tip derivație. Motoarele asincrone se folosesc în acționările în care se cere ca turația să nu varieze cu sarcina: mașini-unelte obișnuite, ventilatoare, unele mașini de ridicat, ascensoare, etc.
- Motoare de tipuri speciale
Vedere în secțiune prin stator a motorului de inducție
Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două părți componente:
stator și
rotor.
Statorul este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statorică și înfășurarea statorică.
Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține înfășurarea rotorică. Între stator și rotor există o porțiune de aer numită
întrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.
Motorul de curent continuu a fost inventat în
1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator. Astfel el a constatat, că generatorul "inițial" era de fapt o mașină electrică reversibilă, care putea lucra ca un convertizor de energie bidirecțional.
Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și
bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un
colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.
În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:
- motor cu excitație independentă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune
- motor cu excitație paralelă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune
- motor cu excitație serie - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie
- motor cu excitație mixtă - unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.
Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.
Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.
Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor
rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (
redresoare comandate,
Motorul cu reactie
Turbina cu gaze
O
turbină cu gaze este o
turbină termică, care utilizează căderea de
entalpie a unui
gaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în jurul unui ax o cantitate de
energie mecanică disponibilă la cupla turbinei.
[1][2] Turbina cu gaze mai este cunoscută și sub denumirea de
instalație de turbină cu gaze (ITG).
Din punct de vedere
termodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de asemănător cu
motorul unui
automobil. Aerul din
atmosferă este admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui
combustibil, aprinderea și arderea lui într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o
turbină, care extrage din ele
lucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mișcări de rotație, ceea ce pentru o
putere dată conduce la o
masă totală a instalației mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de
aviație, însă își găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiind
termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.
Dezvoltarea turbinelor cu gaze este de dată mult mai recentă decât a
turbinelor în general, și de dată mai recentă decât a
turbinelor cu abur.
În
1791 englezul John Barber a brevetat prima adevărată turbină cu gaze, turbină care avea principalele elemente din turbinele cu gaze moderne.
[3] În
1872 Dr. F. Stolger din
Germania a construit prima turbină cu gaze, care însă n-a funcționat niciodată independent.
[3]
În
1903 norvegianul Ægidius Elling a construit prima turbină cu gaze funcțională, care a produs lucru mecanic, eveniment important, luând în considerare lipsa de cunoștințe de
aerodinamică a vremii. Turbina sa a reușit să producă o
putere de 11
cai putere, foarte mult pentru zilele respective. Din turbina sa s-a inspirat Frank Whittle.
În
1918 General Electric, unul din cei mai mari producători, inclusiv din zilele noastre, își începe producția de turbine cu gaze.
Turboreactor RD-500, clonă a Rolls-Royce Nene, fabricat în URSS.
În
1936 Hans von Ohain și Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reacție bazat pe un brevet propriu.
[5][6]Compresorul acestui motor era de tip
axial, și pe baza lui s-a dezvoltat motorul Junkers
Jumo 004 care a echipat avionul
Messersmitt Me 262.
Motoarele de racheta
Dispozitivele de postcombustie sint folosite in mod uzual la motoarele turboreactoare supersonice pentru cresterea tractiunii prin exploatarea aerului ramas nears in camera de ardere si evacuat prin turbina, fiind ars in camera de postcombustie impreuna cu o cantitate suplimentara de combustibil.
Se obtine astfel o crestere a performantelor, in detrimentul consumului si a greutatii motorului, camera de postcombustie fiind o piesa voluminoasa si grea.
Aerojet ABRE
Folosirea dispozitivelor de postcombustie pentru motoarele racheta este o idee revolutionara, promovata de firma Aerojet prin conceptul Afterburning Rocket Engine (ABRE), urmarindu-se optimizarea caracteristicilor de tractiune pe o plaja larga de altitudini.
In mod normal, ajutajul unui motor racheta este proiectat pentru a asigura performante optime doar la o anumita altitudine (presiune atmosferica), functionarea in alte conditii reducand performantele.
De exemplu, un motor care functioneaza la altitudini mari sau vid, are nevoie de un ajutaj cu un raport mare intre aria sectiunii de iesire si cea a sectiunii critice, in timp ce unul care functioneaza la nivelul marii are nevoie de un raport mic.
Functionarea la nivelul marii a unui ajutaj proiectat pentru altitudini mari este restrictionata de presiunea interna a motorului, in practica solutia constand in alegerea ajutajului cu cel mai mare raport posibil (pentru a asigura performatele necesare la altitudini mari) limitat de presiunea maxima de functionare a motorului. Pe masura ce altitudinea creste, este nevoie de reducerea presiunii din camera de ardere insa o variatie prea mare a acesteia pune foarte mari probleme din punctul de vedere al turbopompelor.
Ideea Aerojet este de a avea un motor ce functioneaza la presiune interna scazuta si ajutaj optimizat pentru presiuni atmosferice mici (solutie ideala pentru functionarea la altitudini mari) iar la altitudini mica sa fie folosit un dispozitiv de postcombustie inovator, integrat in ajutaj, cu rolul de a creste presiunea gazelor de evacuare in acel regim.
Beneficiile obtinute prin folosirea unei camere de ardere ce functioneaza la presiuni interne scazute se rasfrang asupra materialelor folosite, a complexitatii echipamentelor de alimentare si in final asupra costului motorului.
ABRE ar mai putea fi prezentat si sub forma de kituri pentru instalarea pe motoarele deja existente, evitandu-se costurile proiectarii unor motoare complet noi.
Cesaroni SCAIH
Ideea folosirii postcombustiei este studiata intr-o forma diferita si de firma canadiana Cesaroni Technology, motorul lor functionand dupa principiul stage combustion aft-injected hybrid (SCAIH) . Diferenta fata de Aerojet este ca motorul de baza este unul solid, functionand ca un generator de gaz, iar in camera de postcombustie se injecteaza doar oxidantul lichid suplimentar. In locul carburantului lichid injectat de ABRE, SCAIH foloseste combustibilul nears evacuat de generatorul de gaz.
SCAIH vs motor racheta hibrid clasic – Sursa: Cesaroni via
hobbyspace.com
SCAIH isi propune sa rezolve cateva probleme ale motoarelor hibride actuale cu combustibil solid inert si oxidant lichid, cum ar fi arderea incompleta si viteza de regresie scazuta, rezultand intr-o presiune si un impuls scazut.
Solutia Cesaroni consta practic in formularea componentei solide astfel incat sa inglobeze si un element oxidant care va accelera viteza de regresie. Pana aici solutia e similara cu cea folosita de un motor racheta cu combustibil solid clasic. Prin adaugarea unei camere de postcombustie se obtin insa performente superioare celor atinse de rachetele cu combustibil solid clasice.
Combustibilul folosit de generatorului de gaz are o compozitie similara cu cel folosit la rachetele de inalta performanta moderne (AP/HTPB) iar oxidantul este oxigenul lichid.
Motorul a fost testat deja pe stand si rezultatele au aratat performante superioare motoarelor racheta cu combustibili solizi clasice. Trebuie spus ca o parte din componentele folosite au fost off-the-shelf, pentru reducerea costurilor si a timpului de executie, asa ca exista inca mult spatiu pentru cresterea performantelor.
.JPG)
