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.

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.

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 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

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?

• 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