Documento 56801

6.4 MOTORS TÈRMICS DE COMBUSTIÓ INTERNA: EL MOTOR D'EXPLOSIÓ
Les maquines d'explosió són sovint utilitzades per alguns mitjans de transport. Realitzen una explosió a
l'interor de la màquina. Gràcies a la pressió del pistó (èmbol), no calen elements intermedis, amb els gasos de
la combustió és suficient.
Aquests motors són símilars a la màquina de vapor en diversos àmbits. Tenen en comú: el cilindre, pistó i el
mecanisme biela−manovella, però no tenen caldera, a diferencia de la màquina de vapor, ja que en els motors
d¡explossió, la combustió es dóna a dins del cilíndre. Hi ha dos tipus de motors d'explossió: motors d'encesa
per guspira i els d'encesa per compressió que poden ser de quatre temps o també de dos (tot i que amb dièsels
no és gaire habitual).
Motors d'encesa per guspira o de cicle Otto
Quatre temps
Nikolaus Otto al 1876 va dissenyar un motor de gas símilar a una màquina de vapor. El funcionament
d'aquesta màquina es dividia en quatre parts diferents i va ser important per a poder inverntar posteriorment
motors d'explossió de gasolina (usat actualment per a automòbils). Beau de Rochas, a finals del segle XIX va
construir un mecanisme de biela−manovella semblant al que va construir Nikolaus.
1r temps: admissió
Comença quan el pistó està situat a la part superior del cilindre. Amb la vàlvula d'escapament tancada i la
d'admissió oberta, el pistó es mou cap avall provocant l'admissió al produir−se un buit parcial a l'interior del
cilindre. La pressió atmosfèrica, per ser major que la que existeix a l'interior del cilindre, fa que entri aire per
el carburador, on es barreja en proporcions adequades amb el cumbustible.
Aquesta barreja passa pel tub d'admissió múltiple a dins del cilindre.
Quan el pistó arriba al punt mort inferior (PMI), la pressió interior del cilindre continua sent menor que la
pressió atmosfèrica exterior i la barreja continua entrant en el cilindre. La vàlvula d'admissió continua
Nikolaus Otto, inventor dels oberta mentre el pistó inícia el moviment cap amunt
motors d'encesa per guspira. fins que la lleva fa que la vàlvula es tanqui.
1
2n temps: compressió
Ambdues vàlvules estan tancades i la barreja de combustible queda en el cilindre que ara està tancat. El pistó,
al moure's cap amunt dins del cilindre, comprimeix la barreja combustible, en acabar aquesta etapa, el pistó ha
completat dos moviments, un cap avall i l'altre cap amunt, i el cigonyal un circuït sencer, és a dir 360º.
3r temps: explosió
Quan el pistó ha arribat al punt mort superior (PMS) la barreja de combustible que entrà al cilindre durant
l'admissió ha quedat comprimida. En aquest moment del cicle dita càrrega combustible s'inflama per mitjà
d'una guspira produïda per la bogia i es verifica la combustió, degut a la calor generada per la combustió.
S'expandeixen els gasos i es produeix una altre pressió a l'interior del cilindre. Aquesta pressió actua sobre el
cap del pistó, obligant a baixar, el que constitueix la transmissió de l'energia al cigonyal en forma de torsió o
rotatoria.
4rt temps: escapament
Quan el pistó s'acosta al punt mort inferior (PMI) la posició que correspon a la fi d'energia, la vàlvula
d'escapament, s'obre disminuïnt la pressió a l'interior del cilindre. Aquesta vàlvula resta oberta mentre el pistó
es mou amunt, fins que arriba al punt mort superior (PMS). Quan el pistó arriba a la posició més alta es tanca
la vàlvula d'escapament. En la majoria dels motors la vàlvula d'escapament es tanca poc després d'aver arribat
al punt mort superior (PMS), abans de el pistó arribi a la part superior, a l'admissió comença a obrir−se la
vàlvula d'admissió, aquesta permet que estigui oberta totalment quan el pistó baixa de nou per iniciar
l'admissió següent.
Dels quatre temps, només el tercer és productiu. Els altres, consumeixen l'energia produïda pel tercer temps.
Només tenen un cilindre, i disposen de quatre o més cilíndres situats en linia (un al costat de l'altre) o en
forma de V.
Hi ha elements molt importants en els motors de 4T, com ara un dispositiu capaç de fer que una petita part de
gasolina es barregi amb l'aire per aconseguir una mescla explosiva gasosa. Els dos dispositius encarregats de
dur a terme aquest procés són els carburadors i la injecció electrònica.
El carburador
Subministra una mescla d'aire i gasolina polvoritzada al motor. Funciona aplicant el principi que en fisicaes
coneix com efecte Venturi, de manera semblant com funcionen els polvoritzadors manuals. El gicler està
submergida dins una cubeta amb gasolina, i la part superior és dins de la conducció que es dirigeix a la
vàlvula d'admissió. El pistó xucla l'aire, i del glicer en surten gotetes de gasolina que es mesclen amb l'aire
(polvorització o vaporització).
Aquest és el sistema més senzill. Els motors s'anomenen atmosfèrics, ja que són impulsats per la pressió
atmosfèrica cap al cilindre. Els més utilitzats per a automòbils són: la injecció electrònica i la
turboalimentació.
El turbocompresor o turbo
Consisteix a introduir els gasos combustibles dins del cilindrea una pressió superior a l'atmosfèrica. Augmenta
la quantitat i la velocitat d'entrada de gasos combustibles a dins del cilindre. El turbocompressor és
l'encarregat d'introduïr gasos a pressió. Els gasos d'escapament mouen la turbina, la qual fa moure el
compressor.
2
La injecció electronica
La gasolina s'introdueix al canal d'admissió a partir d'uns injectors, i el rendiment serà més alt. Esta controlat
per circuït electrònic, per tant el motor rep la quantitat justa de carburant en funció de la potència que es
nesseciti.
La bugia
Encarregat de provocar l'explossió. Situat a la culata del motor. Si li proporcionem una descàrrega elèctrica
farem saltar una guspira que donarà a lloc una explosió elèctrica. El sistema d'encesa controla l'explossió.
El circuït de refrigeració
La nescessitat de reduir la temperatura que es produeix després de les explosions és present en els motors
d'explossió. El refredament es duu a terme un líquid que circula pel circuït de refrigeració, en canvi el líquid
calent que surt es refreda al radiador.
Les vàlvules
Es poden obrir i tancar. Els motors de quatre temps es basen en lleves i palanques encarregades d'aquest. Els
motors de 16 vàlvules són aquells que tenen quatre cilindres i quatre vàlvules per cilindre, dues d'admissió i
dues d'escapament. Això fa que augmenti la potència i el rendiment.
La lubrificació
Són molt importants en totes les màquines.Dins del càrter dels motors de quatre temps hi ha oli lubrificant per
augmentar el rendiment del motor, reduir el desgast i dissipar la calor produïda pel fregament de les peces
mòbils. Fa que llisqui.
Els motors de dos temps
Són més lleugers i més senzills que els de quatre temps, encara que funcionen de manera semblant. Utilitzen
gasolina barrejada amb oli. S'anomena de dos temps, però n'hi ha quatre, amb la diferència que duen a terme
simultàniament aquesta operació. L'admissió i la compressió tenen lloc al mateix temps i tot seguit l'explosió i
l'escapament també es produeix simultàniament.
1r temps: admissió i compressió
El pistó es desplaça des del PMI fins al PMS. El pistó tanca l'espirall d'escapament i obre l'espirall d'admissió.
Entra la mescla d'aire, gasolina i oli procedent del carburador, i dona lloc a l'admissió. Simultàniament a la
cursa ascendent del pistó que es dirigeix al PMS, es produeix la compressió dels gasos combustibles que
procedeixen de l'interior del cilindre i de la part superior del pistó.
2n temps: explossió i escapament
El pistó arriba al PMS, provoca una explossió i impulsa violentament el pistó cap avall. El pistó tanca
l'espirall d'admissió i obre el d'escapament i l'espirall de càrrega. Els gasos cremats surten, i la mescla
combustible procedent del càrter entra per l'espirall de càrrega dins del cilindre per la part superior del pistó.
Els motors de dos temps tenen un carburador per preparar la barreja explosiva. L'oli, incorporat al
combustible, s'encarrega de lubrificar els mecanismes, de manera que no cal posar oli i lubrificar al càrter. La
funció d'obertura i tancament dels espirals d'admissió, de càrrega i d'escapament la fa el mateix pistó amb el
3
seu desplaçament; no són nescessaris ni vàlvules, ni arbre de lleves ni els mecanismes per accionar−lo, am la
qual cosa el motor resulta molt més senzill i econòmic.
Els motors de dos temps haurien de tenir un rendiment superior als de quatre temps perquè produeix una
explossió cada volta de cigonyal i no cada dues, però no és així, l'absència de vàlvules no garanteix que
s'ompli bé el cilindre en l'admissió, ni una bona evacuació en gasos d'escapament. Això provoca que es
barregin el combustible i els gasos cremats, i en disminueïx el rendiment del motor.
Els motors de dos temps treballen més revolucionats que els de quatre temps, ja que tenen una freqüència de
rotació superior. Això fa que el desgast dels seus components i mecanismes sigui més ràpid. El tacòmetre ens
calcula les revolucions per minut d'un motor.
Cilindrada
Repressenta els volums de tots els cilindres d'un motor. Es pot conèixer el volum d'un cilindre multiplicant la
superfície del pistó per la cursa. La cilindrada està relacionada amb la potència del motor, ja que com més alta
és, més potència té el motor.
Motors d'encesa per compressió o dièsel
Deu el seu nom a l'enginyer alemany Rudolf Diesel. Quan comprimim un gas sempre augmenta de
temperatura, i amb això es basava. No calia provocar−hi cap guspira.
1r temps: admissió
El pistó està a punt d'arribar al PMS. Obre la vàlvula d'admissió i el desplaçament del pistó cap a la part
inferior del cilindre provoca l'entrada d'aire al cilindre. Per acabar es tanca la vàlvula d'admissió.
2n temps: compressió
Dóna lloc tot seguit de l'admissió. Les vàlvules están tancades, el pistó es desplaça a la part superior del
cilindre. L'aire es comprimeix, es forta i ràpida, i d'aquesta manera fa que les temparatures pugin i arribin a ser
molt elevats.
Rudolf Diesel, enginyer alemany, el qual va inventar el motor d'encesa per compressió o dièsel.
3r temps: explosió
4
Uns injectors introdueixen a pressió la dosi de gasoli nescesària. El combustimble s'inflama i produeix gran
quantitat de gasos els quals empenyen amb força el pistó cap a la part inferior del cilindre.
4rt temps: escapament
El pistó ha arribat al PMI, s'obre la vàlvula d'escapament i surten els gasos gràcies al moviment ascendent del
pistó. El pistó arriba a la part superior del cilinsre, la vàlvula d'escapament es tanca, s'obre la d'admissió.
La relació de compressió
Qualsevol gas s'escalfa quan es comprimeix, l'aire comprimit dins d'un cilindre d'un motor s'escalfa molt, i es
coneix coma relació de compressió.
Els motors dièsel són més robustos que els de gasolina perquè han de suportar les elevades pressions
derivades de la gran relació de compressió, generalment han estat utilitzats per a vehicles grans i pesants, però
avui dia hi ha motors dièsel lleugers que s'instal·len en automòbils petits.
Els motors dièsel no tenen ni bugies ni carburador. Tenen un rendiment superior als de gasolina i un consum
inferior. El gasoli és més barat que la gasolina. El desgast que pateixen és menor, perquè funcionen menys i
treballen a temperatures inferiors als de gasolina i a menys velocitat. Però són més sorollosos i lents de
resposta.
Conseqüències de l'ús de les màquines tèrmiques
Els motors hidràulics com les rodes i les turbines d'aigua no provoquen problemes importants al medi
ambient, però no passa el mateix amb els motors tèrmics.
Els motors tèrmics han augmentat molt la capacitat de treball de les nostres màquines i això ha fet possible el
progrés, que implica una millor qualitat de vida.
El funcionament de les màquines tèrmiques provoca una sèrie d'efectes no desitjats: la contaminació
ambiental (consisteix en l'emissió de productes perillosos a l'atmosfera i en la producció del soroll), i
l'esgotament dels recursos naturals (es produeix perquè aquests motors utilitzen combustibles fòssils, i són
limitats).
Substàncies nocives produïdes per la combustió fòssil:
• Òxids de nitrogen i de nofre (pluja àcida).
• Òxids de carboni (efecte hivernacle).
• Metalls pesants (plom)
La pluja àcida
Els òxids de nitrogen i de sofre reaccionen químicament a l'atmosfera i es converteixen en àcids, arriben a
terra dissolts en les gotes d'aigua i contaminen el sòl de les aigües de llacs i rius.
L'efecte hivernacle
El diòxid de carboni a l'atmosfera impedeix que l'excés d'energia tèrmica que ens arriba del sol surti a
l'exterior i, com un mirall, la reflecteixi altre cop cap a la superfície de la terra.
Què hi podem fer?
5
• Millorar el rendiment per consumir−ne menys.
• Millorar sistemes i mecanismes que redueixen els residuus contaminants.
• Reduir−ne l'ús.
Com ara utilitzar gasolina sense plom i utilitzar filtres i canalitzadors.
1
6