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.