propulsia vehiculului se obține de obicei prin intermediul motoarelor, cunoscute și sub numele de motoare principale, adică dispozitive mecanice capabile să transforme energia chimică a unui combustibil în energie mecanică. Apropo, termenul englezesc „motor”, este probabil să aibă o origine franceză în vechiul cuvânt francez” engin”, care, la rândul său, se crede că provine din latinescul” ingenium „(împărtășind aceeași rădăcină a” ing inktiknieur „sau”inginer”).
energia chimică a combustibilului este transformată mai întâi în căldură prin ardere, iar apoi căldura este transformată în lucru mecanic cu ajutorul unui mediu de lucru. Acest mediu de lucru poate fi un lichid sau un gaz. Într-adevăr, căldura produsă prin ardere își mărește presiunea sau volumul specific și, datorită expansiunii sale, se obține o muncă mecanică.
în motoarele cu ardere internă (ICE), produsele de ardere (de ex. aer și combustibil) ele însele sunt utilizate ca mediu de lucru, în timp ce în motoarele cu ardere externă, produsele de ardere transferă căldura într-un mediu de lucru diferit prin intermediul schimbătorului de căldură. Mai mult, în timp ce în ICE arderea are loc în interiorul cilindrului, în motoarele cu ardere externă, arderea se obține într-o cameră separată, numită de obicei arzător.
deoarece procesul de ardere al unui ICE modifică caracteristicile mediului de lucru, funcționarea ciclică poate fi obținută numai printr-o înlocuire periodică a mediului de lucru în sine, adică printr-un ciclu deschis. Termenul” ciclu ” pentru ICE se referă astfel la ciclul de lucru al motorului care trebuie înlocuit periodic și nu la un ciclu termodinamic al fluidului de lucru. Combustibilii trebuie să aibă caracteristici compatibile cu funcționarea ICE, ceea ce înseamnă că produsele lor de ardere ar trebui să permită utilizarea ca medii de lucru (de exemplu, arderea nu ar trebui să formeze cenușă ca în coșul dvs. de fum, ceea ce ar provoca lipirea mecanismului motorului).
motor cu combustie internă
motoarele cu combustie internă cu piston sunt de obicei selectate pentru propulsia vehiculelor terestre, cu unele excepții (motoare electrice pentru tramvaie, troleibuze sau mașini electrice), datorită densității lor favorabile de putere și a costurilor lor relativ scăzute de fabricație și service (comparativ cu turbinele cu gaz, de exemplu).
în Ice alternativ, mișcarea unui piston într-un cilindru, închisă la capătul opus de chiulasă, produce o variație ciclică a volumului cilindrului. Pistonul este conectat la o tijă și o manivelă la arbore, a cărei rotație constantă determină o mișcare ciclică a pistonului între două poziții extreme, centrul mort superior (TDC, cel mai apropiat de chiulasă) și centrul mort inferior (BDC, cea mai mare distanță de chiulasă). Aceste două poziții corespund, respectiv, volumului minim al cilindrului (volumul liber, Vc) și volumului maxim al cilindrului (volumul total, Vt). Diferența dintre volumul max și Min se numește volum măturat sau deplasare cilindru și numit Vd. Și în cele din urmă, raportul dintre volumul max și min se numește raport de compresie (rc).
ICE clasificare
motoarele cu combustie pot fi clasificate în diferite categorii. Cele mai importante două se bazează pe procesul de ardere (aprindere prin scânteie vs.aprindere prin compresie) și pe ciclul de lucru (2 curse vs. 4 curse). Clasificarea suplimentară se poate baza pe admisia aerului (aspirat natural sau turbocompresor), alimentarea (injecție indirectă sau directă) și sistemul de răcire (Răcit cu aer sau răcit cu apă). În acest articol, vor fi prezentate doar diferențele dintre procesele de ardere.
aprindere prin scânteie și aprindere prin compresie
aprindere prin scânteie
la motoarele cu aprindere prin scânteie se utilizează combustibili cu reactivitate relativ scăzută, cum ar fi benzina, gazul natural comprimat (GNC) sau gazul petrolier lichefiat (GPL). Astfel de combustibili sunt amestecați cu aerul pentru a forma amestecul combustibil, omogen de aer / combustibil și apoi comprimați în motor pentru a atinge temperaturi de aproximativ 700 K (400 centi C) și presiuni de aproximativ 20 bar, fără nicio aprindere spontană.
acest comportament poate fi explicat pe baza caracteristicilor moleculei de combustibil: combustibilii cu hidrocarburi utilizați în motoarele cu aprindere prin scânteie (SI) sunt realizați din molecule cu lanț scurt, rigid și compact (cum ar fi CH4 pentru CNG sau iso-octan c8h18 pentru benzină) pentru care chiar și la temperaturi și presiuni ridicate, timpul necesar pentru începerea procesului de ardere este destul de lung. Cu toate acestea, acest concept nu trebuie confundat cu capacitatea unui combustibil lichid de a se evapora la temperatura camerei și de a forma un amestec combustibil în aerul înconjurător. Această capacitate este ridicată cu benzina și determină pericolul de explozie dacă este prevăzută o sursă de aprindere.
în motoarele SI, procesul de ardere poate fi astfel pornit numai (cel puțin pentru o combustie clasică) cu o sursă externă de energie, cum ar fi o scânteie electrică. Energia adăugată amestecului prin descărcarea electrică este mică (în jur de 10 MJ magnitudine), dar este oricum esențială pentru a începe procesul de ardere.
de la primul nucleu aprins de scânteie, arderea se răspândește apoi prin amestec: strat după strat, Frontul flăcării se deplasează prin cameră, în principal datorită unui schimb de căldură convectiv între gazele de ardere și amestecul proaspăt, până când se ating ultimele zone (numite „gaz final”) departe de scânteie.
viteza frontală a flăcării este de aproximativ 20-40 m/s și este mult crescută odată cu turbulența din interiorul amestecului (turbulența crește suprafața dintre gazul proaspăt și cel ars, astfel crește schimbul de căldură și astfel viteza de propagare a flăcării). Deoarece intensitatea turbulenței crește odată cu turația motorului, iar viteza frontală a flăcării este proporțională cu intensitatea turbulenței, viteza frontală a flăcării va crește odată cu turația motorului, compensând astfel reducerea timpului disponibil pentru ardere. Datorită acestui fapt, nu există aproape nicio limitare în ceea ce privește turația motorului pentru motoarele SI din punct de vedere al arderii (motorul de Formula 1 poate rula până la 20 000 de rotații pe minut).
cu toate acestea, amestecul aer/combustibil, atunci când este menținut la temperaturi și presiuni ridicate pentru o perioadă prelungită de timp, poate suferi în cele din urmă autoaprindere. Din acest motiv, combustiile anormale pot apărea atunci când gazul final se aprinde spontan înainte de sosirea frontului flăcării. Această combustie anormală determină o creștere bruscă a presiunii cilindrului urmată de unde de presiune în interiorul camerei de ardere care sunt transmise prin structura motorului către mediul înconjurător. Aceasta se numește „lovitură” și poate provoca daune pistonului și cilindrului din cauza solicitărilor de oboseală termică. Pentru a evita apariția loviturii, motorul SI trebuie să respecte mai multe limitări în ceea ce privește lungimea maximă a căii de flacără (care limitează diametrul maxim al cilindrului numit alezaj la aproximativ 100 mm) și temperatura și presiunea maximă admisibilă a gazului de capăt (proaspăt) (care limitează atât raportul de compresie, cât și presiunea de impuls).
mai mult, valorile ridicate ale vitezei flăcării pot fi obținute numai dacă raportul aer / combustibil este destul de apropiat de raportul stoichiometric:prin urmare, atunci când un motor SI trebuie să funcționeze la sarcină parțială, este imposibil să se reducă doar combustibilul, menținând neschimbată masa de aer în cilindru. Apoi, utilizarea unui dispozitiv pentru a reduce debitul masic de aer este necesară pentru controlul sarcinii (se alege adesea o accelerație de admisie), chiar dacă provoacă penalități de eficiență la sarcina parțială.
Stoichiometria este definită ca punctul în care, în amestec, se consumă tot oxigenul și se arde tot combustibilul. Pentru benzină, raportul dat de masă este de 14,7:1 (14,7 grame de aer pentru 1 gram de combustibil).
aprindere prin compresie
când se utilizează combustibili cu reactivitate mai mare, cum ar fi motorina, aceștia nu pot fi amestecați cu aerul și apoi comprimați în cilindru, deoarece altfel procesul de ardere ar începe spontan în timpul cursei de compresie. Într-adevăr, motorina este un amestec de hidrocarburi care poate fi reprezentat de cetan, C16H34, cu o moleculă lungă cu lanț drept în care reacțiile preliminare ale procesului de oxidare se desfășoară destul de repede la temperaturi și presiuni ridicate.
prin urmare, motorina este injectată sub formă de spray lichid de înaltă presiune în aerul deja comprimat, imediat înainte de începerea dorită a arderii (în cazul arderii clasice a motorinei). Picăturile mici de combustibil (în jur de 10 mm diametru), înconjurate de aer comprimat fierbinte (în jur de 900 K), se evaporă rapid și procesul de ardere începe spontan cu o întârziere de aprindere extrem de scurtă.
în mod diferit față de motoarele SI, procesul de ardere în motorul diesel nu își poate autoregla caracteristicile în funcție de timpul disponibil pentru a efectua combustia legat de creșterea turației motorului (adică timpul necesar pentru evaporarea combustibilului, amestecarea și întârzierea aprinderii nu se vor diminua odată cu creșterea turației motorului). Prin urmare, aceste motoare nu pot fi operate la viteze mai mari de 5000 rpm.
în cele din urmă, spre deosebire de motoarele SI, nu există cerințe stricte în ceea ce privește raportul aer/combustibil pentru acest tip de combustie. La sarcină parțială, cantitatea de combustibil injectată este redusă, menținând în același timp aceeași cantitate de aer introdus, fără a fi nevoie de dispozitiv de accelerație și apoi fără pierderi suplimentare.
Sursa: Prof.Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas opinie:
cele mai frecvente două tipuri de combustie (aprindere prin scânteie și aprindere prin compresie) sunt cunoscute astăzi de mult timp și bine stăpânite. Cu toate acestea, atingem limitele acestor procese, deoarece poluanții și limitele consumului de combustibil stabilite de standarde devin din ce în ce mai mici. Atingerea acestor standarde devine din ce în ce mai costisitoare, iar unele procese alternative de ardere și arhitecturi de motoare sunt testate în laboratoare și centre de cercetare. Credeți că motoarele cu aprindere prin scânteie și cu aprindere prin compresie așa cum le cunoaștem în zilele noastre vor fi înlocuite cu unele soluții alternative precum CAI, PCCI, combustie cu combustibil dublu sau altele?