Motorul Diesel

Functionarea motorului DieselComprimarea unui gaz conduce la creterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul n motoarele diesel. Aerul este aspirat n cilindri i este comprimat de ctre piston pn la un raport de 25:1, mai ridicat dect cel al motoarelor cu aprindere prin scnteie. Spre sfritul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizat n camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja nclzit prin comprimare pn la o temperatura de circa 700-900C. Ardereacombustibiluluiduce la creterea temperaturii i presiunii, care acioneaz pistonul. n continuare, ca la motoarele obinuite, biela transmite fora pistonului ctre arborele cotit, transformnd micarea liniar n micare de rotaie. Aspirarea aerului ncilindrise face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mrirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mri cantitatea de aer introdus n cilindri. Folosirea unui rcitor intermediar pentru aerul introdus n cilindri crete densitatea aerului i conduce la un randament mai bun.n timpul iernii, cnd afar este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalic masiv ablocului motor(format din cilindri i chiulas) absoarbe o mare parte din cldura produs prin comprimare, reducnd temperatura i mpiedicnd aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de nclzire, de exemplubujii cu incandescen, ajutnd la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistene electrice dispuse n galeria de admisie, pentru a nclzi aerul. Sunt folosite i rezistene electrice montate n blocul motor, tot pentru a uura pornirea i a micora uzura. Motorina are un grad mare de vscozitate, mai ales la temperaturi sczute, ducnd la formarea de cristale n combustibil, n special n filtre, mpiedicnd astfel alimentarea corect a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care s nclzeasc motorina, mai ales n zona rezervorului i a filtrelor a rezolvat aceast problem. De asemenea, sistemul de injecie al multor motoare trimite napoi n rezervor motorina deja nclzit, care nu a fost injectat, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. n prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat i aceast problem.O component vital a motoarelor diesel este regulatorul de turaie, mecanic sau electronic, care regleaz turaia motorului prin dozarea corect a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scnteie (Otto), cantitatea de aer aspirat nu este controlat, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme n funcie de sarcin i vitez. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comand injecia de combustibil i limiteaz turaia motorului prin intermediul uneiuniti centrale de controlcare primete permanent semnale de la senzori, doznd corect cantitatea de motorin injectat.Controlul precis al timpilor de injecie este secretul reducerii consumului i al emisiilor poluante. Timpii de injecie sunt msurai n unghiuri de rotaie ai arborelui cotit nainte de punctul mort superior. De exemplu, dac unitatea central de control iniiaz injecia cu 10 grade nainte de punctul mort superior, vorbim despre un avans la injecie de 10 grade. Avansul la injecie optim este dat de construcia, turaia i sarcina motorului respectiv.Avansnd momentul injeciei (injecia are loc nainte ca pistonul s ajung lapunctul mort interior) arderea este complet, la presiune i temperatur mare, dar cresc i emisiile deoxizi de azot. La cealalat extrem, o injecie ntrziat conduce la ardere incomplet i emisii vizibile de particule de fum.

Injectia combustibilului la motoarele Diesel

Primele sisteme de injecieMotorul diesel modern este o mbinare a creaiilor a doi inventatori. n mare, rmne fidel conceptului original al lui Rudolf Diesel, adic combustibilul este aprins prin comprimarea aerului din cilindru. ns, aproape toate motoarele diesel de azi folosesc aa-numitul sistem de injecie solid, inventat de Herbert Akroyd Stuart, pentru motorul su cu cap incandescent (un motor cu aprindere prin comprimare care precedase motorul diesel, dar funcioneaz oarecum diferit). n cazul injeciei solide, combustibilul este adus la o presiune extrem cu ajutorul unor pompe i introdus n camera de ardere prin intermediul unor injectoare i a aerului comprimat, ntr-o stare aproape solid. La nceput, combustibilul era injectat n motorul diesel cu ajutorul aerului comprimat care l pulveriza n cilindru. Mrimea compresorului de aer era att de mare, nct primele motoare diesel erau foarte grele i voluminoase n raport cu puterea produs, mai ales datorit antrenrii unor astfel de compresoare. Primele motoare montate pe nave aveau un motor auxiliar dedicat antrenrii compresorului de injecie. Sistemul era prea mare i greoi pentru a fi folosit n industria auto.Injecia controlat mecanic i electronicMotoarele din vechile generaii utilizau o pomp mecanic i un mecanism cu supape antrenate de arborele cotit, de obicei prin intermediul unui lan sau curea dinat. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supap i arc, care se deschideau/nchideau la o anumit presiune a combustibilului. Pompa consta dintr-un cilindru care comprima motorina i o supap sub form de disc care se rotea la jumtate din turaia arborelui cotit. Supapa avea o singur deschidere pe o parte, pentru combustibilul sub presiune i o alta pentru fiecare injector. Pe msur ce se rotea, discul supapei distribuia fiecrui injector o cantitate precis de combustibil la mare presiune. Supapa injectorului era acionat de presiunea motorinei injectate att timp ct discul debita combustibil cilindrului respectiv. Regimul motorului era controlat de un al treilea disc care se rotea doar cteva grade i era acionat de o prghie. Acest disc controla deschiderea prin care trecea combustibilul, doznd astfel cantitatea de motorin injectat.Vechile motoare diesel puteau fi pornite, din greeal, i n sens invers, dei funcionau ineficient datorit ordinii de aprindere dereglate. Aceasta era de obicei consecina pornirii mainii ntr-o treapt de vitez greit.Motoarele moderne au o pomp de injecie care asigur presiunea necesar injeciei. Fiecare injector este acionat electromagnetic prin intermediul unei uniti centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injeciei n funcie de turaie i sarcin, avnd ca rezultat performane mrite i un consum sczut. Soluia tehnic mai simpl a ansamblului pomp-injector a condus la construcia de motoare mai fiabile i mai silenioase.Injecia indirectn cazul motorului diesel cu injecie indirect, motorina nu este injectat direct n camera de ardere, ci ntr-o antecamer unde arderea este iniiat i se extinde apoi n camera de ardere principal, antrenat de turbulena creat. Sistemul permite o funcionare linitit, i, deoarece arderea este favorizat de turbulen, presiunea de injecie poate fi mai sczut, deci sunt permise viteze de rotaie mari (pn la 4000 rpm), mult mai potrivite autoturismelor. Antecamera avea dezavantajul pierderilor mari de cldur, ce trebuiau suportate de ctre sistemul de rcire i a unei eficiene sczute a arderii, cu pn la 5-10% mai sczut fa de motoarele cu injecie direct. Aproape toate motoarele trebuiau s aib un sistem de pornire la rece, ca de exemplu bujii incandescente. Motoarele cu injecie indirect au fost folosite pe scar mare n industria auto i naval ncepnd dinanii timpurii 1950pn nanii 1980, cnd injecia direct a progresat semnificativ. Motoarele cu injecie indirect sunt mai ieftine i mai uor de construit pentru domeniile de activitate unde emisiile poluante nu sunt o prioritate. Chiar i n cazul noilor sisteme de injecie controlate electronic, motoarele cu injecie indirect sunt ncet nlocuite de cele dotate cu injecie direct, care sunt mult mai eficiente.n perioada de dezvoltare a motoarelor diesel dinanii 1930, diferii constructori au pus la punct propriile tipuri de antecamere de ardere. Unii constructori, precumMercedes-Benz, aveau forme complexe. Alii, precumLanova, utilizau un sistem mecanic de modificare a formei antecamerei, n funcie de condiiile de funcionare. ns, cea mai folosit metod a fost cea n form de spiral, conceput deHarry Ricardoce folosea un design special pentru a crea turbulene. Majoritatea productorilor europeni au folosit acest tip de antecamere sau i-au dezvoltat propriile modele (Mercedes Benz i-a meninut propriul design muli ani).Injecia directMotoarele moderne folosesc una din urmtoarele metode de injecie direct.

Injecia direct cu pomp-distribuitorPrimele motoare diesel cu injecie direct au folosit o pomp de injecie rotativ, cu injectoarele montate n partea superioara a camerei de ardere i nu ntr-o antecamer. Exemple de vehicule dotate cu astfel de motoare suntFord TransitsauRover Maestro, avnd ambele motoare fabricate dePerkins. Problema acestor motoare era zgomotul excesiv i emisiile de fum. Din aceast cauz aceste motoare au fost la nceput montate doar pe vehicule comerciale excepia notabil fiind autoturismulFiat Croma. Consumul era cu 15 - 20% mai sczut dect la un motor diesel cu injecie indirect, ndeajuns s compenseze, pentru unii, zgomotul produs.Primul motor cu injecie direct de mic capacitate, produs n serie a fost conceput degrupul Rover. Motorul cu 4 cilindri, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din1989, avnd chiulasa din aluminiu, injecie Bosch n 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire uoar i un mers lin i economic.Controlul electronic al pompei de injecie a transformat radical acest tip de motor. Pionierul a fostgrupul Volkswagen-Audicu modelulAudi 100 TDIaprut n 1989. Presiunea de injecie era de circa 300 bar, dar momentul injeciei, cantitatea de motorin injectat i turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot i emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat i la vehiculele de mas precumGolf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice i mai puternice dect competitorii pe injecie indirect.Injecia direct cu ramp comun (Common Rail)La vechile motoare diesel o pomp-distribuitor asigura presiunea necesar la injectoare care erau simple duze prin care motorina era pulverizat n camera de ardere.La sistemele cu ramp comun, distribuitorul este eliminat. O pomp de nalt presiune menine motorina la o presiune constant de 1800 bari ntr-o ramp comun, o conduct unic care alimentez fiecare injector comandat electromagnetic de mare precizie sau chiar injectoare piezoelectrice (utilizate de Mercedes la motorul diesel cu 6 cilindri n V de 3 L).Majoritatea constructorilor europeni au n gama lor modele echipate cu motoare dieselcommon rail, chiar i la vehiculele comerciale. Unii constructori japonezi, precumToyota,Nissani, mai recent,Honda, au dezvoltat i ei motoare diesel cu ramp comun.Diferii constructori de automobile au denumiri diferite pentru motoarele lor diesel cu ramp comun. Spre exemplu:CDIlaDaimlerChrysler,TDCilaFord,JTDla grupulFiat,dCilaRenault,CDTilaOpel,CRDilaHyunday,DI-DlaMitsubishi,HDIlagrupul PSA,D-4DlaToyota.Evolutia motoarelor Diesel din ultimii 10-15 ani se datoreaza in mare masura modernizarii si punerii la punct a sistemului de injectie a combustibilului. In acest sens sistemul care practic a revolutionat modul de functionare si a dus la o crestere considerabila a performatelor motorului Diesel, este sistemul de injectie cu rampa comuna mult mai bine cunoscut sub denumirea de common rail.Denumirea sistemului provine de la rezervorul comun (rampa, sfera) de acumulare a presiunii de combustibil si care ajuta la descarcarea undelor de presiune rezultate in urma procesului de injectie.Primul automobil pe care s-a montat sistemul de injectie common rail a fost Alfa Romeo 156 cu motor 2.4 JTD in anul 1997, grupul Fiat fiind un pioner in cercetarea si dezvoltarea acestui sistem. Datorita problemelor financiare de la acea data Fiat a fost nevoit sa vanda proiectul catre firma Bosch care a lansat si dezvoltat sistemul in productia de masa.Marele avantaj al sistemului common rail este ca presiunea din rampa comuna de combustibil este comandata de calculatorul de injectie (ECU) independent de turatia motorului. De asemenea procesul de generare a presiunii este separat de injectia in sine.

Componenta sistemului rampa comuna (exclusiv partea de inalta presiune): pompa de inalta presiune; rampa comuna de combustibil care in general este un tub metalic, dar poate fi si sub forma unei sfere; pompa de transfer care la sistemele mai noi este corp comun cu pompa de inalta . Primele sisteme common rail aveau pompa de transfer montata in rezervor, separat de pompa de inalta presiune; regulator de de debit montat pe pompa de inalta presiune (nu au toate sistemele); in functie de presiunea de consemn comandata de ECU, regulatorul de debit regleaza cantitatea de combustibil care intra in pompa de inalta, prin descarcarea execesului in retur catre rezervor. regulator de presiune, corp comun cu pompa de inalta presiune; descarca excesul de combustibil in retur in functie de presiunea creata de pompa de inalta in rampa comuna. senzor de presiune montat pe rampa comuna; monitoreaza permanent presiunea din rampa de combustibil si transmite informatiile catre ECU. injectoare electromagnetice (sistemele anterioare pana la Euro 4 ) sau injectoare piezoeletrice (de la Euro V); supapa de suprapresiune montata in rampa ( in functie de sistem, Bosch nu are, Denso are); descarca excesul de combustibil in retur in cazul in care in rampa se atinge o valoarea maxima a presiunii (ex. 1600 bari); calculatorul de injectie; reprezinta creierul sistemului rampa comuna care comandata timpul de deschidere al injectoarelor, pe baza diverselor marimi de intrare (ex. temperatura lichid racire, pozitie pedala acceleratei etc); senzor de temperatura combustibil montat de obicei pe pompa de inalta presiune ( sistemele mai vechi nu au acest senzor); conducte metalice de legatura ( pompa rampa, rampa injectoare);Sistemul common rail permite un control mult mai bun al arderii din cilindri in principiu datorita injectiei directe de combustibil la presiune inalta si datorita injectiei multiple. Rezulta asadar un consum redus de combustibil, reducerea emisiilor poluante, performante dinamice superioare si reducerea zgomotului produs de motor.Injecia direct cu pomp-injectorAcest tip de sistem injecteaz, de asemenea, motorina direct n cilindru. Injectorul i pompa formeaz un corp comun plasat n captul cilindrului. Fiecare cilindru are propria pomp care alimenteaz injectorul propriu, fapt ce exclude fluctuaiile de presiune i asigur o injecie consistent. Acest tip de injecie, dezvoltat deBosch, este folosit de ctre autoturismele grupului Volkswagen AG - denumit sistemul pomp-injector - i de ctre Mercedes Benz i majoritatea fabricanilor de motoare diesel mari (CAT,Cummins,Detroit Diesel). Ultimele realizri asigur o presiune de injecie crescut, de pn la 2050 bar.Aceasta motorizare a fost implementata pentru prima data in 1989 pe cateva modele Audi. Insa abia in perioada 1996-1997, odata cu Golf 3/Jetta si Passat, au inceput sa fie cunoscute mai bine (Audi era intr-o usoara criza). In acea perioada, aceste modele Volkswagen aveau motorizari pe motorina doar turbodiesel (TD) la inceputul aparitiei lor. Cand urma sa se faca trecerea la urmatoarele modele - Golf 4/Bora si respectiv noul Passat - nemtii au decis sa schimbe si motorizarile Diesel. Astfel ca, ultimile modele din anii 97-98 aveau inovatoarele motorizari TDI. In general, primul TDI dezvolta ceva mai multa putere fata de TD-uri ajungand astfel la 90 cp, dar cel mai important era consumul de motorina mai mic. Cu toate ca 90 cp nu erau ceva iesit din comun comparativ cu ce putea la vremea respectiva un motor pe benzina, dezvoltarea TDI-ului era la inceput. Abia pe modele urmatoare de Golf 4/Bora si respectiv Passat, TDI-ul a impresionat lumea intreaga. Motoarele aveau ca si inainte aceeasi cilindree, 1.9l dar puterile au crescut in functie de prezenta intercooler-ului, de presiune de injectie si desigur de cea de supraalimentare. Astfel au rezultat puteri specifice diferite:- 1.9 TDI cu 90 cp - pompa rotativa dar injectie indirecta de motorina;- 1.9 TDI cu 101 cp - primul TDI (Pump Duse) de pe gama Golf 4/Bora si respectiv Passat- 1.9 TDI cu 115 cp- 1.9 TDI cu 130 cp- 1.9 TDI cu 150 cpUrmatoarea generatie:- 1.9 TDI cu 105 cp- 2.0 TDI cu 140 CP- 2.0 TDI cu 170 cp - cel mai performant TDI (injectoarele sunt actionate si ele piezoelectric).S-a ajuns practic ca puterea acestor motoare Diesel sa se dubleze in doar cativa ani.Motorul de 1.9 TDI si 150 cp era prezent pe Bora (spre exemplu) inca din anul 2001.Volkswagen transformase puturosul Diesel in cel mai ravnit si dorit motor chiar sidintre cele pe benzina si important era ca aceste motoare nu consumau exagerat inciuda performantelor impresionante.Cum a fost posibil?Volkswagen ne spuneau ca au inventat TDI-ul. Ei bine nu era chiar asa. Pompeleinjector sau PD (Pump Duse) existau bine-mersi inca de zeci de ani pe motoarelenavale. Aici vorbesc de concept, de principiul de functionare. Erau pur mecanice,asta este singura deosebire si doar acesta este meritul nemtilor, merit care si el estepus sub semnul intrebarii in conditiile in care la vremea respectiva, electronica nuera atat de dezvoltata incat sa vedem niste pompe injector de ultima generatie pevapoare. De ce au aparut pe aceste motoare de vapor prima data? Pentru ca ele suntde dimensiuni imense. Nu se puteau folosi pompe rotative sau cu elemente in liniepe aceste motoare pentru ca, asa cum se stie, conductele de la pompa de injectie lainjectoare trebuie sa fie egale intre ele, sa fie de aceiasi lungime indiferent dedistanta dintre injectoare si pompa. Intru-cat sunt destul de multi cilindri la acestemotoare, indiferent de pozitia pompei de injectie, automat unele conducte de inaltapresiune ar fi mai scurte decat altele. O idee practicata pe motoarele de autoturismeera ca cele mai scurte sa fie aduse la lungimea celor mai lungi (ca sa fie egale) si safie rasucite in cercuri. Astfel toate conductele deveneau egale in lungime. Acest lucru vedem pe motoarele Diesel clasice, de pe autoturismele vechi. Insa trucul nu a mers pe cele de vapoare pentru ca motoarele sunt mult mai mari in dimensiuni. Astfel s-a ajuns la ideea ca fiecare cilindru sa aibe propria sa pompa de injectie cu propriul sau injector, pompa injector (PD).Spre deosebire de motoarele navale, nimeni nu-si dorea 4 pompe de injectie puse in chiulasa, era suficienta una. Insa aceste pompe injector ascundeau un mare secret: presiune mare de injectie. PD-urile pot realiza presiuni de injectie incredibil de mari, chiar si in zilele de astazi: 2000-2200 bari spre deosebire de doar 600-700 bari cat puteau ridica presiunea cele rotative. Acesta a fost marele secret si este incontinuare secretul pompelor de inalta presiune, fie ca se numesc PD sau CommonRail. Presiunea mare data de pompa se traduce prin presiune mare de injectie,pentru ca daca pompa poate ridica presiunea mult mai mult decat inainte, atunci sepoate creste presiune de injectie (presiunea de refulare a injectoarelor). Presiunemare de injectie inseamna o finete mult mai buna a dozei injectate, ceea ce conduce la o omogenizare superioara a motorinei injectate cu aerul admis in cilindrii motorului. Desigur ca daca presiunea de injectie era de 3 ori mai mare decat era la un Diesel clasic cu pompa rotativa, s-a putut introduce cu suces injectia directa de motorina, renuntandu-se astfel la camerele separate de preardere/vartej.Omogenizarea buna era realizata nu doar de presiunea mare de injectie in cilindru, ci si de forma capului pistonului, profil Omega.

Avantaje/Dezavantaje fata de Common Rail

Cel mai mare avantaj a fost presiunea de injectie. Dupa cum spuneam, s-a pututajunge la 2000-2200 bari. Common Rail-ul abia in ultimii 2-3 ani a mai recuperat,aceste pompe ridicand presiunea pana pe la 1800 bari. Un alt avantaj ar fifiabilitatea ridicata. La noi in tara pompele de injectie Common-Rail au probleme din pricina motorinei de slaba calitate. Si un ultim avantaj ar fi lipsa conductelor deinalta presiune. Din pacate sunt mai multe dezavantaje. Primul ar fi arborele dedistributie este mai solicitat din moment ce el actioneaza atat supapele cat sipompele. In plus, inaltimea motorului creste putin, ele fiind puse in chiulasamotorului. Consum mare de ulei la majoritatea PD-urilor, un lucru deloc de neglijat mai ales ca au cazut turbine. Consum mai mare de motorina fata de Common-Rail.Un alt dezavantaj este cel legat de zgomot. Este un mic tractoras, in special candeste rece. Dupa ce ajunge pe la minim 30-40 grade (temp lichidului de racire) se mai cuminteste. La capitolul zgomot, motoarele cu Common-Rail sunt mult mai linistite. Utilizand injectoare piezo-electrice, acestea pot realiza mai multe injectii pe ciclu (injectii pilot) si desigur injectia principala. Urmeaza apoi (dupa caz) o ultima injectie pentru a reduce emisia de fum. Mai multe injectii pe ciclu determina o ardere treptata si o viteza de crestere a presiunii mai putin violenta, fata de TDI. Astfel nivelul zgomotului este mult redus si Honda au reusit sa aduca al lor i-CTDiaproximativ la acelasi nivel de zgomot cu un motor pe benzina o adevarata performanta! Din pacate sistemele Pump Duse nu pot realiza prea multe injectii, de aici si zgomotul mai mare.