I.8. Motoare termice.

I.8.1. Mașini termice.
I.8.2. Motoare termice. Motorul Otto și motorul Diesel.

I.8.1. Mașini termice.

🔦 Scurt istoric

Încă din veacul al doilea î.e.n. Heron din Alexandria cunoştea forţa de expansiune a vaporilor şi a construit chiar o turbină cu reacţie. Invenţia lui nu a avut succes datorită faptului că nu avea aplicaţii în practică.

În 1679, Denis Papin construieşte o maşină cu vapori pe care o instalează pe o corabie. Principiul de funcţionare era următorul: apa fierbea într-un cazan închis şi vaporii treceau într-un cilindru care împingea un piston; mişcarea alternativă a pistonului era comandată manual prin deschiderea şi închiderea unor robinete.

Primul motor cu abur a fost proiectat în 1698 de Thomas Savery.

Primul motor cu abur performant a fost proiectat în 1712 de Thomas Newcomen.

Mai târziu, în anul 1776, James Watt perfecţionează motorul cu aburi, dându-i forma definitivă sub care funcţionează şi astăzi.

Un alt motor termic este motorul Diesel cu motorină, apărut în 1900, în Germania şi a fost inventat de Rudolf Diesel.

Invenția motorului cu ardere internă cu piston, în patru timpi, cu aprindere prin scânteie, pe scurt motorul pe benzină, este atribuită lui Nicolaus Otto.

Pentru propulsarea autovehiculelor cu roți se folosesc motoare cu ardere internă cu piston. Combustibilul arde în interiorul motorului și degajă căldură, care este transformată în lucru mecanic.

În cursul unei transformări ciclice biterme, sistemul termodinamic schimbă căldurile Q₁, respectiv Q₂ cu două izvoare de căldură ale căror temperaturi sunt T₁ (izvor cald) și T₂ (izvor rece), cu T₁ > T₂.

Cum transformările ciclice au ΔU = 0, conform principiului I al termodinamicii avem

Q₁ + Q₂ = L

Mașina termică este un sistem termodinamic care efectuează o transformare ciclică în care schimbă căldură și lucru mecanic cu mediul exterior.

🔦 Observație

Rentabilitatea transformărilor energetice la mașina frigorifică se exprimă prin eficiență, care este diferită de randament deoarece energia utilă nu este o fracțiune din energia consumată.

Eficiența poate fi supraunitară, de exemplu 4 (400%).

Randamentul motorului termic este întotdeauna subunitar și se exprimă în procente.

Eficiența și randamentul sunt mărimi adimensionale.

I.8.2. Motoare termice. Motorul Otto și motorul Diesel.

Motorul termic este un sistem care transformă căldura primită, prin arderea unui combustibilul (benzina, motorina, gazul metan etc.) în lucru mecanic.

Cuvântul motor provine din limba latina și înseamnă “care produce mișcare”.

I.8.2.1. Motorul Otto.

Motorul Otto folosește drept combustibil un amestec de aer cu vapori de benzină ce se realizează în carburator.

Amestecul carburant este aspirat prin supapa de admisie (S1) în cilindru cu piston.
Gazele rezultate în urma arderii amestecului carburant sunt eleminate prin supapa de evacuare (S2).
Timpul de funcționare este perioada de deplasare a pistonului de la punctul mort superior = PMS (cilindru închide un volum minim de substanță) la punctul mort inferior = PMI (cilindru închide un volum maxim de substanță) și invers.
Pistonul este legat de un sistem bielă-manivelă (vilbrochen = arbore cotit), pentru transformarea mișcării rectilinie a pistonului în mișcare de rotație.
Blocul motor este format din mai mulți cilindri legați în serie. Fiecare piston are alt timp de desfășurare pentru a permite învârtirea permanentă și constantă a vilborchenului.

Timpii de funcționare ai motorului Otto:

Timpul 1: Admisia - pe grafic este porțiunea A→1(proces izobar):

Supapa de admisie se deschide, în cilindru se aspiră amestecul de benzină-aer și pistonul coboară de la PMS la PMI, la presiune constantă. Este prima coborâre a pistonului.

Timpul 2 : Compresia - pe grafic este porțiunea 1→2(proces adiabatic):

Ambele supape sunt închise. Pistonul urcă până la PMS, astfel încât combustibilul este puternic comprimat, caz în care presiunea și temperatura cresc. Datorită vitezei mari la care are loc compresia, acest proces este adiabatic (fără schimb de căldură cu exteriorul). Este prima urcare a pistonului.

Timpul 3 : Aprinderea - pe grafic este porțiunea 2→3(proces izocor) și detenta - pe grafic este porțiunea 3→4 (proces adiabatic):

Ambele supape sunt închise și pistonul se află la PMS. Scânteia electrică produsă de bujie aprinde amestecul, care explodează și duce la o creștere considerabilă a presiunii la volum constant. Amestecul arde cu degajare de căldură (Q1 = căldura primită de motor). Gazele rezultate din ardere se destind adiabatic, împing pistonul în PMI cu efectuare de lucru mecanic.Este a doua coborâre a pistonului.

Timpul 4 : Evacuarea - pe grafic este porțiunea 4→1(proces izocor)și 1→A(proces izobar):

Supapa de evacuare S2 se deschide, caz în care presiunea scade brusc până la valoarea presiunii atmosferice.În acest proces izocor amestecul cedează căldura Q2 în mediul exterior. Pistonul urcă până la PMS împingând afară gazele arse la presiune constantă (porțiunea 1→A). De aici ciclul se reia.

I.8.2.2. Randamentul motorului termic Otto. Extindere.

Randamentul motorului termic Otto (η) este o mărime fizică egală cu raportul dintre lucrul mecanic efectuat de motor (L) și căldura primită (Q).

Presupunem că substanța de lucru este un gaz ideal și raportul de compresie este ε = V₁/V₂.

Căldurile în cele patru transformări sunt :

Q₁₂ = 0

Q₂₃ = ν ∙ C_V ∙ (T₃ – T₂) = Q₁ > 0

Q₃₄ = 0

Q₄₁ = ν ∙ C_V ∙ (T₁ – T₄) = Q₂ < 0

Scriem legile proceselor adiabatice :

🔦 Observație

Motoarele cu benzină ating randamente de aproximativ 30%, în timp ce motoarele Diesel au un randament de 40%.

I.8.2.3. Motorul Diesel.

Motorul Diesel este un motor cu ardere internă, în patru timpi cu aprindere prin injecție a motorinei.

Timpii de funcționare ai motorului Diesel:

Timpul 1: Admisia - pe grafic este porțiunea A→1(proces izobar):

Supapa de admisie se deschide, în cilindru se aspiră aer la presiunea atmosferică și pistonul coboară de la PMS la PMI, la presiune constantă (proces izobar). Este prima coborâre a pistonului.

Timpul 2: Compresia - pe grafic este porțiunea 1→2(proces adiabatic):

Ambele supape sunt închise. Pistonul urcă până la PMS, astfel încât aerul este puternic comprimat, caz în care presiunea și temperatura cresc considerabil. Datorită vitezei mari la care are loc compresia, acest proces este adiabatic (fără schimb de căldură cu exteriorul). Este prima urcare a pistonului.

Timpul 3: Aprinderea - pe grafic este porțiunea 2→3(proces izobar) și detenta - pe grafic este porțiunea 3→4(proces adiabatic):

Ambele supape sunt închise și pistonul se află la PMS. Pompa de injecție pulverizează motorină în cilindrul motorului. Temperatura aerului din cilindru este mai mare decât temperatura de aprindere a motorinei, astfel încât aceasta se aprinde și arde la presiune constantă, cu degajare de căldură (Q₁ = căldura primită de motor). Gazele rezultate din ardere se destind adiabatic, împing pistonul în PMI cu efectuare de lucru mecanic.Este a doua coborâre a pistonului.

Timpul 4: Evacuarea - pe grafic este porțiunea 4→1(proces izocor)și 1→A(proces izobar):

Supapa de evacuare S₂ se deschide, caz în care presiunea scade brusc până la valoarea presiunii atmosferice. În acest proces izocor (la volum constant) amestecul cedează căldura Q₂ în mediul exterior. Pistonul urcă până la PMS împingând afară gazele arse la presiune constantă (porțiunea 1→A). De aici ciclul se reia.

Randamentul motorului termic Diesel (η) este o mărime fizică egală cu raportul dintre lucrul mecanic efectuat de motor (L) și căldura primită (Q).