Despre Motoare TermiceMotoarele termice sunt motoarele ce consuma un

combustibil (benzina, motorina, alcool, etc) si transforma caldura dezvoltata in lucru mecanic.

Scurt istoricInca din veacul al doilea i.e.n. Heron din Alexandria

cunostea forta de expansiune a vaporilor si a construit chiar o turbina cu reactie. Inventia lui a cazut uitare datorita faptului ca relatiile de productie nu erau favorabile unei aplicatii mai largi in practica.

Abia in 1707 Demis Papiu reactualizeaza problema si construieste o masina cu vapori pe care o instaleaza pe o corabie. Principiul de functionare era urmatorul: apa fierbea intr-un cazan inchis si vaporii treceau intr-un cilindru care impingea un piston; miscarea alternativa a psitonului era comandata manual prin deschiderea si inchiderea unor robinete.

Mai tarziu, in anul 1765, scotianul James Watt perfectioneaza masina cu vapori, dandu-I forma definitiva sub care functioneaza si astazi.

De-alungul timpului turbinele cu vapori s-au dezvoltat foarte mult, extinzandu-se pe o scara tot mai larga. Vaporii de abur au o masa specifica mult mai mica decat a apei si de aceea trebuie sa intre in paletele turbinei cu o viteza mult mai mare. Aceasta viteza ajunge uneori la 1 km/s iar presiunea la 200 at.

Motoarele cu ardere interna sunt motoarele termice de cea mai larga raspndire. Ele au inceput sa evolueze mult mai tarziu datorita temperaturilor dezvoltate (cca 2000 °C) in corpul motorului. Din acest motiv dezvoltarea lor a avut loc odata cu dezvoltarea metalurgiei care a ajuns sa produca oteluri si aliaje suficient de rezistente. Avantajul acestora fata de turbinele cu abur este in principal ca au

gabarite mult mai reduse si pot fi puse in functine imediat. Astazi se construiestc asemenea masini cu puteri de 2500 CP la o greutate de numai 500g/CP.

O alta masina termica este motorul Diesel. El a aparut la inceputul anului 1900 in Germania si a fost inventat de Rudolf Diesel. La aceste motoare aerul este comprimat rapid in cilindru pana la 25-30 at. Aceasta comprimare ridica temperatura pana la 7-800 °C, producand astfel aprinderea combustibilului sub forma de mici picaturi produse de un vaporizator. Motorul Diesel este mult mai robust decat motoarele cu explozie si are avantajul ca foloseste combustibil ieftin: motorina, titei sau chiar praf de carbune.

Se fabrica pe scara larga in industrie, pe locomotive, automobile, autocamioane. In prezent puterea dezvoltata de aceste motoare poate ajunge pana la 20 000 CP.

Definiție:Un motor termic este o ma ș ină termică  motoare, care transformă căldura în lucru mecanic.

Clasificare:

o motor cu ardere externă , la care sursa de căldură este externă fluidului ce suferă ciclul termodinamic

o motor cu abur o turbină cu abur o motor Stirling o motor cu ardere internă , la care sursa de căldură este

un proces de combustie suferit chiar de fluidul supus ciclului termodinamic:

o motor cu ardere internă cu piston o motor Wankel o turbină cu gaze

o motor rachetă o statoreactor o pulsoreactor

Legile de baza ale functionalitatii masinilor termice

Masinile termice au la baza lor de functionare principiile I si II ale termodinamicii.

Principiul I stabileste legatura dintre cantitatea de caldura produsa si energia mecanica absorbita sau invers. Intre o cantitate de caldura Q si lucru mecanic L din care a provenit vom avea relatia de echivalenta:

unde f este numit echivalentul mecanic al caloriei.

Principiul I al termodinamicii se enunta astfel: Intr-un sistem perfect izolat, suma energiilor de orice fel pe care le contine ramane constanta.

Bazandu-ne pe aceasta afirmatie pentru a deduce ca daca dam un corp o cantiate de caldura Q peste cea pe care o avea initial, aceasta energie suplimentara poate sa aibe urmatoarele manifestari:

sa oblige corpul sa execute un lucru mecanic L exterior sa ridice temperatura corpului sa modifice structura interna a corpului

In concluzie, 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:

L = f * Q

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 a fost descoperit de Carnot in 1824 si se enunta astfel:

Toate masinile termice care functioneaza intre aceleasi limite de temperatura au acelasi randament maxim, adica acelasi coeficient economic ideal.

Coeficientul economic ideal se mai numeste si randament si are urmatoarea expresie matematica:

= 1 – T2/T1

sau

= T / T1

unde: T1 este sursa calda, T2 este sursa rece iar T este diferenta intre cele doua.

Randamentul unei masini termice este cu atat mai mare cu cat diferenta de temperatura dintre sursa calda si sursa rece este mai mare.

De aceea masinila cu abur moderne folosesc supraincalzirea aburului de la intrare si condensarea lui la iesire.

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.

Prin urmare, in orice masina termica avem un rezervor de caldura, la temperatura mai inalta, care o cedeaza unui organ de transformare. Acesta retine si transforma o parte din ea si transmite restul spre exterior, la temperatura mai

joasa. In aceasta masina, caldura trece in mod natural de la temperaturile mai ridicate la cele mai joase.

Masinile termice reale pot fi studiate pe baza ciclului Carnot.

Pentru o masina termica organul de transformare a caldurii in lucru mecanic este in speta cilindrul si pistonul care primeste o cantitate de vapori sau de gaz, la o presiune, un volum si o temperatura date si o destinde la presiunea si temperatura din exterior.

Pentru o masina cu vapori si pistoane, asa-zise alternative, gasim experimental urmatoarea curba parcursa in timpul unei miscari de dus si intros a pistonului;

in aceasta diagrama distingem doua faze:

In prima faza este parcursa portiunea de curba intre A si B. In timpul acesteia, vaporii se destind, cedeaza din caldura lor interna, misca pistonul si executa un lucru mecanic, proportional cu aria suprafetei A-B-B’-A’.

In faza a doua, masina absoarbe lucru mecanic din energia cinetica pentru a comprima vaporii ramasi in cilindru sau sa lupte impotriva celor care vin din cazan.

Ciclul se inchide si lucrul mecanic absorbit este proportional cu dublul ariei suprafetei hasurate.

Rezultatul final duce la un lucru mecanic util, deoarece faza a doua necesita mai putina energie decat s-a degajat in prima.

Motorul cu ardere interna

A

B

A’ B’

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.

Motorul termic cu explozieIntr-un cilindru patrunde un piston, a carui coada este

de obicei articulata pentru a genera miscare circulara:

Supapa S comunica cu un rezervor de benzina numit carburator, in care un curent de aer trece prin benzina si se incarca cu vapori. Supapa S’ comunica cu exteriorul.

Cele doua supape sunt actionate de un dispozitiv care le misca potrivit la intervale de timp bine stabilite si care se numeste ax cu came.

Principiul de functionare este urmatorul:Timpul I: Absorbtia. Presupunem pistonul in capatul de jos al cilindrului.

Supapa S, numita supapa de admisie, este deschisa iar supapa S’, numita 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 (ignitia). Pistonul a ajuns in capatul de sus al cilindrului. In acest

moment, o scanteie electrica se produce in punctul B (bujie) si aprinde amestecul, facandu-l sa impinga pistonul in jos

SS’ B

Transforma miscarea liniara

in miscare circulara

Piston

Bujie

Supapa de

evacuare

Supapa de admisie

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 S’ se deschide iar pistonul, in virtutea impulsului capatat, se intoarce si evacueaza gazele de ardere prin S’.

Intregul ciclu poate fi reprezentat in urmatoarea diagrama:

Se poate observa cu usurinta ca ciclul de functionare al

motorului cu ardere interna difera de cel al masinii cu vapori. La motorul cu explozie in patru timpi, descris anterior, gasim doua cicluri cuplate care sunt parcurse unul dupa celalalt, in sensuri contrare. Ele corespund celor patru timpi, respectiv miscarii pistonului, in intervalul dintre doua explozii consecutive.

Si in acest caz aria mare corespunde producerii lucrului mecanic util iar cea mica a lucrului mecanic consumat de masina in timpul functionarii.

Din analiza diagramei rezulta ca masinile termice parcurg un ciclu inchis prin care toti parametrii de stare sunt adusi in situatia initiala. Din analiza ariilor celor doua cicluri putem deduce randamentul acestor masini.

V

P

In continuare este prezentat un ciclu ideal de functionare a unei masini termice, comparandu-l cu cercul real descris anterior, pentru a imbunatati randamentul acestor masini. Ciclul ideal se numeste ciclul Carnot si are urmatoarea forma:

Asa dupa cum se vede, el descrie doua curbe izoterme pe portiunile A-B si C-D si doua curbe adiabatice pe portiunile B-C si D-A. Aceste transformari sunt in anumite conditii ideale si deci si o masina termica ce ar functiona dupa acest ciclu ar avea randamentul ideal:

= (T1 – T2) / T1

T1 – temperatura de intrareT2 – temperatura de iesirePentru a se realiza acest randament, trecerea de la T1

la T2 trebuie sa se faca brusc, astfel ca vaporii sa nu intalneasca pe drum temperaturi intermediare iar transformarile sa fie perfect reversibile.

Masinile termice nu ating niciodata randamentul maxim ideal, fiind destul de departe de acesta.

Acestea sunt cateva randamente ale unor masini termice:

Masina cu abur simpla = 1,7% Masina cu abur perfectionata = 16%

C

A

B

D

T1

T2

V

P

Turbinele cu vapori = 20% Motorul de automobil = 31% Motorul Diesel = 41%

Mod de funcționare:Presupun ca ați tot auzit vorbindu-se despre motoare

pe benzină, diesel, cu ardere internă, termice. Denumirea completa a unui motor pentru automobile ar fi: motor termic, cu ardere internă, cu piston, în patru timpi.

Prin definiție, un motor termic transformă căldura produsă prin arderea unui amestec combustibil în lucru mecanic. Se spune ca este cu ardere internă deoarece arderea combustibilului utilizat se face în interiorul motorului, produsele arderii intrând în componența amestecului combustibil. Pistonul, împreuna cu mecanismul bielă-manivelă are rolul de a transforma energia termică în energie mecanică. Patru timpi reprezintă succesiunea de transformări fizico-chimice ce au loc în motor pentru a efectua un ciclu motor complet.

Elemente componente :

Astfel putem spune că motorul cu ardere internă, cu piston, este un motor termic care, prin evoluția amestecului combustibil, transformă energia termică în lucru mecanic. Evoluția amestecului combustibil în motor este realizată cu ajutorul pistonului, care, prin intermediul mecanismului bielă-manivelă, transformă mișcarea alternativă de translație în mișcare de rotație.

Foto: Secțiune printr-un motor termic.    În figura de mai sus se prezintă o secțiune printr-un

motor termic cu piston: bujie (în cazul unui motor diesel locul bujiei este

luat de injector) arbore cu came supapa de admisie galerie de admisie chiulasă blocul motor arbore cotit bielă piston bolț

segmenți

galerie de evacuare supapa de evacuare arbore cu came

    Pentru a înțelege mai bine amplasarea pistoanelor în raport cu arborele cotit în figura de mai jos se face reprezentarea spațială a unui motor cu patru cilindrii în linie și patru supape pe cilindru.

Foto: Vedere 3D a mecanismului motor

Elementele componente ale mecanismului motor:

arbore cotit bielă piston supapă roți de antrenare arbori cu came arbore cu came tacheți

    Cunoscând elementele componente ale unui motor putem discuta despre principiul de funcționare. După cum am mai menționat un ciclu motor complet reprezintă succesiunea de operații care conduce la obținerea de lucru mecanic. Astfel putem deosebi: motoare în doi timpi și motoare în patru timpi. Deoarece automobilele sunt echipate într-o proporție foarte mare, aproape exclusiv, cu motoare în patru timpi, în acest articol, ne vom rezuma doar la studiul acestora.

Foto: Punctele moarte, interior și exterior, ale unui piston.

Definiția PMI și PME    Înainte de a discuta ciclul motorului definim doi

termeni des utilizați în domeniul motoarelor pentru automobile:

Punctul Mort Interior (PMI)

este poziția în care pistonul este cel mai aproape de chiulasă, iar axa bielei : este în continuarea axei pistonului

este punctul în care viteza pistonul este nulă este poziția pistonului la care corespunde

volumului minim ocupat de fluidul motor în cilindru

Punctul Mort Exterior (PME)

este poziția în care pistonul este cel mai departe de chiulasă iar axa bielei este în continuarea axei pistonului

este punctul în care viteza pistonului este nulă este poziția pistonului la care corespunde

volumului maxim ocupat de fluidul motor în cilindru

Având toate noțiunile de baza putem trece la explicarea celor patru timpi care definesc un ciclu motor:

timpul 1: admisia sau admisiuneatimpul 2: comprimarea sau compresiatimpul 3: destindereatimpul 4: evacuarea

Ciclul de funcționare în patru timpi:

Timpul 1: ADMISIA

supapa de admisie este deschisă, aerul (diesel) sau amestec aer-combustibil (benzină) este introdus în cilindru

supapa de evacuare este închisă pentru a împiedica introducerea de gaze arse înapoi în cilindru

pistonul  pleacă din PMI și se deplasează către PME

Foto: Admisia într-un motor cu ardere internă.

Timpul 2: COMPRIMAREA

ambele supape sunt închise pistonul  se deplasează de la PME la PMI

comprimând aerul/amestecul carburant din interiorul cilindrului

Foto: Comprimarea într-un motor cu ardere internă.Sursa: Wikimedia Commons

Timpul 3: DESTINDEREA

ambele supape sunt închise pistonul  pleacă din PMI și se deplasează către PME

fiind împins de presiunea generată în urma arderii amestecului carburant

Foto: Destinderea într-un motor cu ardere internă.

Timpul 4: EVACUAREA

supapa de admisie este închisă supapa de evacuare este deschisă pistonul  se deplasează de la PME la PMI evacuând

gazele arse din interiorul cilindrului

Foto: Evacuarea într-un motor cu ardere internă.    Rezultă că pentru a avea un ciclu motor

complet arborele cotit trebuie să efectueze două rotații complete, cu alte cuvinte sa se rotească 720°.

Exista si alternative la motoarele termice (de exemplu motorul electric ce functioneaza pe baza de curent electric care este transformat in camp magnetic) si care prezinta si resurse practic inepuizabile dar datorita costurilor carburantilor si posibilitatilor de a-i inmagazina, motoarele termice au ramas mult timp cele mai des intalnite.

Cele mai clare exemple de motoare termice sunt motorul cu ardere interna pentru ca este si cel care se foloseste la automobile si motorul cu aburi folosit la locomotive in zone neelectrificate.

In zona noastra exista chiar Termocentrala Mintia care produce curent electric bazandu-se pe principiul motoarelor termice. Vaporii de apa sunt incalziti pana la temperaturi ce depasesc 100°C si apoi sunt eliberati cu presiune pe paletele unei turbine generatoare, producand lucru mecanic prin rotirea acesteia.

Scurt istoric

Clasificare

Legi de bază

Motor cu ardere internă

Motor cu explozie

Ciclul Carnot

Mod de funcționare

Elemente componente

PMI și PME

Ciclul de funcționare în 4 timpi

Alternative ale motoarelor termice