Nikolaus August Otto (14 iunie 1832, Holzhausen an der Haide, Nassau - 26 ianuarie 1891, Köln) a fost de inventatorul german al primului motor cu combustie internă care ardea în mod eficient combustibilul direct într-un piston de camera. Deşi alte motoarele cu combustie internă au fost inventate (de exemplu, de către Etienne Lenoir) acestea nu s-au bazat pe patru timpi separate.Conceptul de patru timpi este posibil să fi fost deja discutat la data invenţiei lui Otto, dar el a fost primul care a pus-o in practică.

Partile componente Motorul Otto a fost conceput ca un

motor de staţionare şi în acţiunea motorului,tinpul este miscare in sus sau jos a unui piston într-un cilindru. Utilizat mai târziu, într-o formă adaptată ca un motor de automobil,sunt implicaţi patru timpi sus-jos: (1) Admisie descendentă- cărbune,gaz şi aer intra în camera pistonului, (2) Compresie adiabatica în sens ascendent - piston comprimă amestecul, ( 3) Ardere si destindere adiabatica descendentă - arde amestecul de combustibile cu scânteie electrică şi (4) Evacuarea ascendentă –degajă gaze de eşapament din camera pistonului. Otto l-a vândut doar ca pe un motor stationar.

Ciclul motorului Otto Motorul Otto se mai numeşte

şi motor cu aprindere prin scânteie (MAS) sau motor cu explozie.

Motorul Otto funcţionează după 4 timpi:

- timpul I → admisia - timpul II → compresia - timpul III → arderea şi

detenta - timpul IV → evacuarea Timpul III este singurul

timp în care motorul cedează lucru mecanic în exterior şi, din această cauză, se numeşte timp motor. În ceilalţi timpi, motorul trebuie să primească lucru mecanic din exterior, fiind numiţi timpi morţi.

Timpul 1: Admisia începe prin închiderea

supapei de evacuare, urmată imediat de deschiderea supapei de admisie şi de deplasarea rapidă a pistonului de la punctul mort superior (p.m.s.) la punctul mort inferior (p.m.i).

În cilindru se aspiră amestecul carburant format de carburator din vapori de benzină şi aer.

Admisia se realizează practic la presiune constantă (presiunea atmosferică).

Timpul 2: Compresia începe cu închiderea

supapei de admisie. Pistonul se deplasează rapid de la p.m.i. la p.m.s., comprimând amestecul car-burant până la 12-18 bar.

Din cauza vitezei mari cu care se realizează comprimarea, în acest proces, practic, nu are loc schimb de căldură cu exteriorul, compresia fiind considerată un proces adiabatic.

La sârşitul timpului II, amestecul carburant ajunge la 400o – 500oC.

Timpul 3: Arderea si detenta Arderea

În momentul în care pistonul este la p.m.s., bujia produce o scânteie electrică ce aprinde amestecul carburant.

Arderea se produce extrem de rapid, ca o explozie, ducând la creşterea instantanee a presiunii până la aprox. 25 - 40 bar şi 1500ºC - 2000ºC.

Arderea poate fi considerată un proces izocor.

Timpul 3: Arderea si detenta

Detenta Gazele provenite din

ardere împing pistonul de la p.m.s. la p.m.i.

Din cauza vitezei mari cu care se deplasează pistonul, în acest proces, practic, nu are loc schimb de căldură cu exteriorul, detenta fiind considerată un proces adiabatic.

Timpul III este singurul timp motor al ciclului, în care se cedează lucru mecanic în exterior.

Timpul 4: EvacuareaLa începutul timpului IV,

supapa de evacuare se deschide când pistonul este la p.m.i.

Evacuarea are loc iniţial prin ieşirea bruscă a gazelor în atmos-feră, întrucât presiunea în cilindru este mai mare decât presiunea atmosferică. Această parte a timpului IV constituie un proces izocor.

Restul gazelor sunt evacuate prin deplasarea pistonului de la p.m.i. la p.m.s., procesul realizându-se la presiune constantă.

Aceasta succesiune de evenimente se repeta de zeci de ori pe secunda, furnizând în timpii 3 suficienta energie sub forma de lucru mecanic pentru a mentine motorul în functiune, dar si pentru a mentine în miscare sistemul cuplat la motor.

Motorul OttoTimpul I admisia Timpul II compresiaTimpul III arderea si

detenta Timpul IV evacuarea

Raportul de compresie este:

ε ═ V1/V2

Ciclul Otto este format din:

- 2 adiabate - 2 izocore

p

VV1

V2

p1

p2

p3

p4 1

2

3

4

A

p.m.i. p.m.s.

admisia → proces izobar Q01 = νCp(T1 – T0)

L01 = p1(V1 – V2)

compresia → proces adiabatic L12 = – ∆U12 = = – νCV(T2 – T1) Q12 = 0 arderea → proces izocor L23 = 0 Q23 = νCV(T3 – T2)- căldura primită: Q1 = Q23 detenta → proces adiabatic L34 = – ∆U34 = = – νCV(T4 – T3) Q34 = 0 evacuarea → proces izocor şi proces izobar Q41 = – νCv(T4 – T1)

L41 =0 Q10 = – νCp(T1 – T0)

L10 = p1(V2 – V1)- căldura cedată: Q2 = Q41

p

VV1

V2

p1

p2

p3

p4 1

2

3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Randamentul p

VV1

V2

p1

p2

p3

p4 1

2

3

4

A

p.m.i. p.m.s.

În timpul 1, admisia, volumul gazului din cilindru creşte practic la presiune şi temperatură constantă. Reprezentarea A→1 a fost făcută punctat, deoarece în tot timpul acestui proces, numărul de moli de gaz din cilindru este variabil − transformarea nu este nici izobară, nici izotermă!

p

VV1

V2

p1

p2

p3

p4

1

2

3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Timpul 2, compresia, este suficient de rapidă, astfel că poate fi aproximată prin adiabata 1→2. În acest proces, amestecul combustibil nu schimbă căldură şi primeşte lucru mecanic. Aproximând amestecul un gaz ideal, lucrul mecanic primit este:

Temperatura amestecului creşte (T2>T1), ceea ce pune probleme de stabilitate a acestuia: amestecul nu trebuie să se autoaprindă înainte de finalizarea compresiei.

p

VV1

V2

p1

p2

p3

p4 1

2

3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Timpul 3, arderea, corespunde succesiunii de transformări 2→3→4. În starea 2 este declanşată scânteia, amestecul se aprinde şi arde. Presiunea şi temperatura cresc atât de repede încât pistonul practic nu se deplasează − procesul 2→3 este aproape izocor. Gazul nu efectuează lucru mecanic şi primeşte cantitatea de căldură:

Imediat după aceasta, gazul se destinde suficient de rapid pentru a considera procesul ca fiind adiabatic. Gazul nu schimbă căldură şi efectuează lucrul mecanic:

p

VV1

V2

p1

p2

p3

p4 1

2

3

4

A

p.m.i. p.m.s.

La începutul timpului 4, evacuarea, deschiderea supapei de evacuare provoacă o scăderea bruscă a presiunii şi temperaturii gazului din cilindru, aproape fără modificarea volumului. Procesul poate fi aproximat prin izocora 4→1. Gazul nu efectuează lucru mecanic şi cedează cantitatea de căldură:

p

VV1

V2

p1

p2

p3

p4 1

2

3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Rudolf Diesel (1858-1931) a fost inventator al motorului diesel.

Datoritã faptului cã benzina era încã foarte scumpã si foarte inflamabilã, inginerul Rudolf Diesel a realizat un nou tip de motor care ardea initial praf de cãrbune, aprinderea realizîndu-se prin încãlzirea aerului comprimat în cilindru. În 1897 înlocuieste cãrbunele cu motorina, iar performantele noului motor nu s-au lãsat asteptate, el fiind utilizat la nave, locomotive etc., fãrã sã uitãm cã în 1930 Junkers adapteazã motorul diesel la avioane.

Parti componente Motorul Motorul DieselDiesel este

alcătuit dintr-un bloc-motor care cuprinde cel puţin 4 cilindri, fiecare cilindru motor conţinând:

1 – cilindru 5 – injector

2 – piston 6 – bielă

3 – supapă de admisie 7 – manivelă

4 – supapă de evacuare

1

2

3 4

5

6 7

Ciclul motorului diesel Motorul Diesel se mai numeşte

şi motor cu aprindere prin compresie (MAC).

Motorul Diesel funcţionează după 4 timpi:

- timpul I → admisia - timpul II → compresia - timpul III → arderea şi detenta - timpul IV → evacuarea Timpul III este singurul timp

în care motorul cedează lucru mecanic în exterior şi, din această cauză, se numeşte timp motor. În ceilalţi timpi, motorul trebuie să primească lucru mecanic din exterior, fiind numiţi timpi morţi.

Timpul 1: AdmisiaTimpul I începe prin

închiderea supapei de evacuare, urmată imediat de deschiderea supapei de admisie şi de deplasarea rapidă a pistonului de la punctul mort superior (p.m.s.) la punctul mort inferior (p.m.i).

În cilindru se aspiră aer din atmosferă.

Admisia se realizează practic la presiune constantă (presiunea atmosferică).

Timpul 2: CompresiaTimpul II începe cu

închiderea supapei de admisie. Pistonul se deplasează rapid de la p.m.i. la p.m.s., comprimând aerul până la 35-50 atm.

Din cauza vitezei mari cu care se realizează comprimarea, în acest proces, practic, nu are loc schimb de căldură cu exteriorul, compresia fiind considerată un proces adiabatic.

La sârşitul timpului II, amestecul carburant ajunge la 700-800ºC.

Timpul 3: Arderea si detenta În momentul în care

pistonul este la p.m.s., pompa de injecţie prin injector pulverizează picături foarte fine de motorină în cilindru. Pe măsură ce pătrund, picăturile se încălzesc şi se aprind, temperatura de 700 ºC fiind mai mare decât temperatura de aprindere a motorinei. Arderea se produce lent, presiunea fiind practic constantă datorită deplasării pistonului sub presiune gazelor de ardere. Arderea poate fi considerată un proces izobar.

La sfârşitul arderii, temperatura este de 1500ºC - 2000ºC.

Timpul 3: Arderea si detentaDetenta

Gazele provenite din ardere continuă să împingă pistonul de la p.m.s. la p.m.i.

Din cauza vitezei mari cu care se deplasează pistonul, în acest proces, practic, nu are loc schimb de căldură cu exteriorul, detenta fiind considerată un proces adiabatic.

Timpul III este singurul timp motor al ciclului, în care se cedează lucru mecanic în exterior.

Timpul 4: EvacuareaLa începutul timpului IV,

supapa de evacuare se deschide când pistonul este la p.m.i.

Evacuarea are loc iniţial prin ieşirea bruscă a gazelor în atmos-feră, întrucât presiunea în cilindru este mai mare decât presiunea atmosferică. Această parte a timpului IV constituie un proces izocor.

Restul gazelor sunt evacuate prin deplasarea pistonului de la p.m.i. la p.m.s., procesul realizându-se la presiune constantă.

Motorul dieselTimpul I admisia Timpul II compresiaTimpul III arderea si

detenta Timpul IV evacuarea

Raportul de compresie: ε = V1/V2Raportul de destindere: ρ = V3/V2Ciclul Diesel este

format din 2 adiabate, 1 izobară şi 1 izocoră.

p

VV1

V2

p1

p2

V3

p4 1

2 3

4

A

p.m.i. p.m.s.

p

VV1

V2

p1

p2

V3

p4 1

2 3

4

A

p.m.i. p.m.s.

admisia → proces izobar Q01 = νCp(T1 – T0)

L01 = p1(V1 – V2)

compresia → proces adiabatic L12 = – ∆U12 =

= – νCV(T2 – T1)

Q12 = 0

arderea → proces izobar L23 = p2(V3 – V2)

Q23 = νCp(T3 – T2)

- căldura primită: Q1 = Q23

detenta → proces adiabatic L34 = – ∆U34 =

= – νCV(T4 – T3)

Q34 = 0

evacuarea → proces izocor şi proces izobar Q41 = – νCv(T4 – T1)

L41 =0

Q10 = – νCp(T1 – T0)

L10 = p1(V2 – V1)

- căldura cedată: Q2 = Q41

Randamentul Randamentul unui motor termic:

η = 1 - │Q2 │/ Q1

η = 1 - νCv(T4 – T1) / νCp(T3 – T2) =

= 1 - γ(T4 – T1)/(T3 – T2)

În transformarea adiabatică 1→2:

T1V1γ-1 = T2V2

γ-1

T2 = T1V1γ-1/V2

γ-1 = T1ɛγ-1

În transformarea izobară 2→3:

V2/T2 = V3/T3

T3 = T2V2/ V3 = T2 ρ = T1ɛγ-1ρ

În transformarea adiabatică 3→4:

T3V3γ-1 = T4V1

γ-1

T4 = T3V3γ-1/V1

γ-1

Dar V1 = εV2 şi V3 = ρV2 , rezultă:

T4 = T3ργ-1/ɛγ-1 = T1 ργ

Randamentul ciclului Diesel:

η = 1 – (ργ – 1)/γ(ργ – 1)ɛγ-1

p

VV1

V2

p1

p2

V3

p4 1

2 3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Timpul 1-admisia In cilindru se aspira aer din atmosfera la presiunea p1 ,prin supapa de admisie , in timp ce pistonul se deplaseaza in jos , de la PMS la PMF. Supapa de evacuare este inchisa .

In coordonate p,v ,procesul e reprezentat de izobara A-1 .

p

VV1

V2

p1

p2

V3

p4 1

2 3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Timpul 2 –compresia In momentul in care pistonul

a ajuns la PMF se inchide si supapa de admisie .Pistonul incepe sa urce de la PMF la PMS si comprima adiabatic aerul absorbit in timpul 1 .

Compresia la acest motor este mult mai mare decat la acela cu aprindere prin scanteie .La sfarsitul compresiei ,cand pistonul ajunge la PMS ,presiunea aerului p2 este de 35-50 atm ,iar temperatura circa 700-800 C.Procesul e reprezentat de adiabata 1-2.

p

VV1

V2

p1

p2

V3

p4 1

2 3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Timpul 3-ardere si detenta Cand a incetat compresia (pistonul

este la PMS),pompa de injectie pulverizeaza picaturi extrem de mici (ca o ceata)de motorina in cilindru .Pe masura ce patrund in aerul comprimat ,la 700 C ,fiecare picatura se incalzeste ,se aprinde si arde degajand caldura si gaze de ardere.Procesul este izobar deoarece arderea este lenta (ea se face pe masura ce combustibilul este injectat )si pistonul reuseste sa se deplaseze .

Arderea este reprezentata prin izobara 2-3 .Prin arderea combustibilului se produce o mare cantitate de caldura Q1.

Aceasta mareste presiunea gazelor de ardere ,care apasa puternic pistonul ,care produce lucru mecanic in miscarea sa spre PMI.Timpul 3 este timp motor.

Efectuand lucru mecanic, gazele se destind adiabatic ,este 3-4.

p

VV1

V2

p1

p2

V3

p4 1

2 3

4

A

p.m.i. p.m.s.

Timpul 4-evacuarea In putin timp inainte sa

ajunga la PMI ,se deschide supapa de evacuare.

Presiunea scade brusc la valoarea presiunii atmosferice , la volum constant si sistemul cedeaza caldura in exterior Q2.

Pistonul incepe sa urce spre PMS si evacueaza gazele de ardere.

Cand a ajuns la PMS se deschide supapa de absortie si ciclul se repeta . Randamentul motorului Diesel este superior celui de la motorul cu aprindere prin scanteie .

p

VV1

V2

p1

p2

V3

p4 1

2 3

4

A

p.m.i. p.m.s.

1. Intretinerea motorului Otto este mai ieftina decat intretinerea motorului Diesel.

2. Consumul motorului Diesel este mai mic decat consumul motorului Otto.

3. Aceleratia de la 0 la 100 km/h motorului Otto este mai mica decat a motorului Diesel.

4. Emisiile de CO2 ale motorului Diesel sunt mai mici decat ale motorului Otto.

5. Presiunile la care lucreaza motorul Diesel sunt mai mari decat cele ale motorului Otto.

6. Motorul Diesel are un nivel de turatie ce nu poate fi depasit din cauza ca autoaprinderea se face in mod natural si nu fortat pe cand cel Otto poate fi regulat/controlat prin frecventa de aprindere a scanteii.

Alte tipuri de motoare

Motoarele cu benzina , asemenea motoarelor DIESEL, sunt motoare cu ardere interna . Combustibilul arde in interiorul acestora pentru a asigura energia de miscare . La un altfel de motor , vaporii de benzina sunt amestecati cu aer si aprinsi de o scanteie . Amestecul de benzina si aer arde atat de repede incat explodeaza si gazele produse se dilata rapid . Aceasta dilatare impinge un piston printr-un cilindru , iar miscarea pistonului roteste un ax pentru producerea miscarii de rotatie .

La motoarele mari actioneaza mai multe pistoane si mai multi cilindri in succesiune rapida ,pentru a produce o forta de torsiune mai uniforma . La motoarele cu benzina rotative , care nu au cilindri , gazele actioneaza direct un rotor .

Motorul TurbojetInteriorul unu motor

turbojet:Un motor turbo face un

avion sa zboare adaugand enrgie aerului si apoi aspirandu-l afara prin spatele motorului.Diferitele componente ale motorului sunt:(1),tubul de captare a aerului ,(2) elice si compresor,(3) combustor, (4) turbina si in final,(5) tubul de evacuare.