Activitats interactives
3 Màquines de combustió interna alternatives
Aquest tipus de motors poden tenir una estructura que permet la construcció de models de diferents grandàries, des de petits motors per a motocicletes fins a grans motors per a vaixells. També es fabriquen per a diferents tipus de combustibles: gasolina, gasoil i gas natural.
El tipus de combustible determina el disseny específic del motor per aconseguir l’alliberament d’energia esperat. Actualment, n’hi ha de dos tipus: els motors d’encesa per guspira o de cicle Otto, i els d’encesa per compressió o de cicle dièsel. A més, hi ha diferents solucions estructurals que es diferencien pel nombre de cicles: dos temps (2T) i quatre temps (4T).
Els motors de dos temps són mecànicament més simples que els de quatre temps. Això fa que siguin més lleugers i econòmics, i que necessitin menys operacions de manteniment. Per contra, el seu cicle de funcionament no es pot regular totalment, cosa que fa que el seu rendiment sigui més baix que el dels motors de quatre temps.
SABIES QUE...
Els motors de 2T havien estat molt emprats per equipar les motocicletes, però s’han anat abandonant a mesura que han augmentat les exigències de reducció de la contaminació de l’aire. Actualment, els podem trobar en màquines portàtils, com les motoserres i en alguns ciclomotors.
3.1. Funcionament dels motors alternatius de 4T
De motors alternatius de quatre temps n’hi ha de dos tipus: els d’encesa per guspira o cicle Otto i els d’encesa per compressió o cicle dièsel. Els dos tenen una estructura similar, però funcionament i combustibles diferents, tal com descriurem més endavant. Veiem quins elements tenen en comú.
Fig.3.16 Motor bicilíndric de 4T de motocicleta
Fig.3.17 Èmbol amb biela i cilindre
Fig.3.18 Interior d’un motor de quatre cilindres de 4T
La part del motor on es produeix la transferència d’energia tèrmica és a la cambra de combustió, a la part superior del cilindre. A la cambra de combustió arriben el combustible i l’aire quan s’obre la vàlvula d’admissió.
La inflamació del combustible produeix una expansió, en forma de gasos, que empenyen l’èmbol en sentit descendent fins al punt mort inferior (PMI). El seu desplaçament es transmet a la biela, que, al seu torn, fa girar la maneta o manovella, que és al cigonyal.
Quan l’èmbol ascendeix fins a arribar al punt mort superior (PMS), empeny els gasos cremats que surten del cilindre a través de la vàlvula d’escapament.
Les vàlvules s’obren i es tanquen, de manera sincronitzada, per un arbre de lleves que es mou a partir del gir del cigonyal, a través d’un sistema de transmissió com una cadena o una corretja.
A la part inferior hi ha un receptacle d’oli, anomenat càrter. Aquest oli serveix per lubrificar les parts del motor que són en moviment, especialment cigonyal, biela i èmbol. Tot aquest conjunt d’elements es troba tancat en l’anomenat bloc motor i la culata, que el cobreix en la part superior.
Fig.3.20 Cigonyal amb quatre èmbols, les vàlvules i l’arbre de lleves
Fig.3.21 Bugia
Parts del motor
Un motor és una màquina capaç de transformar energia tèrmica en energia mecànica; n’hi ha de diferents tipus, però tots solen tenir una estructura bàsica força semblant.
Relaciona cada part amb la funció corresponent.
AEl motor d’encesa per guspira o de cicle Otto
Aquest motor deu el seu nom a l’enginyer alemany Nikolaus Otto. L’any 1876, va dissenyar un motor de gas amb elements molt similars als de la màquina de vapor. El cicle de funcionament d’aquest motor constava de quatre temps o fases i va suposar la base del motor d’explosió de gasolina.
El motor de cicle Otto s’alimenta amb gasolina, també anomenada benzina. Hi ha dos sistemes per portar la gasolina del dipòsit al motor: a través de carburador i a través d’injector. El sistema d’injecció és molt més eficient que el de carburació.
La inflamació de la gasolina a l’interior de la cambra de combustió ha de ser provocada a través d’una espurna o guspira elèctrica que es produeix a la bugia.
Vegem com és aquest motor i les quatre fases del seu cicle de funcionament.
1r temps: admissió
En aquesta fase, l’èmbol es troba en el PMS La vàlvula d’escapament es troba tancada, i la d’admissió s’obre. A mesura que l’èmbol comença a baixar, provoca una succió que aspira l’aire de l’exterior, que entra barrejat amb una petita quantitat de gasolina que ha estat polvoritzada per l’injector. Aquesta fase acaba quan l’èmbol arriba al PMI.
Fig.3.22 1T: Admissió
2n temps: compressió
La vàlvula d’admissió es tanca, i l’èmbol inicia el seu ascens fins a arribar al PMS. La barreja d’aire i de gasolina assoleix la seva màxima compressió.
Fig.3.23 2T: compressió
3r temps: explosió
Fig.3.26 El tacòmetre d’un automòbil mesura la freqüència de rotació del cigonyal.
En aquest temps, a la bugia ha de saltar la guspira per inflamar la barreja d’aire i gasolina. La bugia rep una alta tensió, que en arribar als elèctrodes fa saltar un arc voltaic o guspira que inflama la barreja, i es produeix una forta explosió. Els gasos s’expandeixen i empenyen fortament l’èmbol cap al PMI.
4t temps: escapament
Quan l’èmbol arriba al PMI, procedent de la fase d’explosió, s’obre la vàlvula d’escapament, i els gasos surten a l’exterior empesos per la pujada de l’èmbol. Quan aquest arriba al PMS, aquesta vàlvula es tanca i el cicle torna a iniciar-se de nou en el temps d’admissió.
Fig.3.24 Explosió
Fig.3.25 4T: escapament
Aquests quatre temps es van repetint constantment, i generen un moviment continuat del cigonyal que es transmet a la caixa de canvis o sistema de transmissió on s’utilitza el motor. En un automòbil de turisme, la velocitat d’aquest gir continuat es mesura en la freqüència de rotació del cigonyal, que pot anar de 900 min–1 a 6 000 min–1.
WEB
Motor de gasolina
Al Centre d’Ensenyament Online tens un enllaç a edu365.cat amb contingut interactiu sobre el motor de gasolina.
Fases de funcionament del motor 4T
Els motors de quatre temps són més complexos, però això fa que el seu funcionament es pugui regular molt més fàcilment per tal d’aconseguir un rendiment més alt.
Ordena les fases següents que en descriuen el funcionament.
La vàlvula d’escapament es tanca, baixa el pistó, entra aire i combustible per la vàlvula d’admissió La vàlvula d’admissió es tanca i l’èmbol puja fins al PMS Salta una guspira per inflamar la barreja d’aire i combustible L’èmbol torna a baixar fins al PMI S’obre la vàlvula d’escapament i els gasos surten empesos per l’èmbol, que torna al PMS
La posició del pistó
Al llarg del procés de funcionament dels motors de combustió interna de 4T el pistó es desplaça de dalt a baix, i a l’inrevés, unes quantes vegades.
Indica en quina posició es troba l’èmbol en cadascuna de les situacions següents.
BEl motor d’encesa per compressió o de cicle dièsel
Fig.3.27 Motor de 4T de cicle dièsel
Rudolf Diesel, un enginyer alemany, a finals del segle XIX va dissenyar el motor que porta el seu nom. És un motor de 4T en què la inflamació de la mescla d’aire i de combustible es fa per compressió, sense guspira. Com a combustible utilitza el gasoil.
En el motor dièsel, en el temps d’admissió, només entra aire al cilindre, que serà fortament comprimit en la fase de compressió, i arriba a una temperatura molt elevada, de més de 600 ºC. En el moment de l’explosió, un injector, alimentat per una bomba molt potent injecta al cilindre una petita quantitat polvoritzada de gasoil. En entrar en contacte amb l’aire calent i a pressió, s’inflama i genera una gran explosió que empeny l’èmbol cap al PMI. El cicle d’escapament és igual que en un motor de cicle Otto.
Els motors dièsel són més robustos que els de gasolina, tenen un millor rendiment (al voltant d’un 40%) i són més duradors. Abans només eren utilitzats en camions, autocars, trens i maquinària agrícola, però actualment són molt comuns en els automòbils.
Parts d’un motor de cicle Otto
Els motors de 4T de gasolina estan formats per diverses parts: culata, bloc i càrter. En cadascuna d’aquestes parts hi ha diferents peces amb funcions molt concretes. Relaciona els elements que has estudiat amb la imatge real de les peces.
El motor
Després de veure el vídeo El motor de bat a bat, indica la resposta correcta relacionada amb alguns conceptes bàsics.
3.2. Característiques dels motors
En els motors es defineixen diferents característiques que determinen el seu comportament. Les més usuals són: la cilindrada, la relació de compressió i la potència.
ACilindrada
Fig.3.28 Càlcul de la relació de compressió
La cilindrada és una característica dels motors que està relacionada amb la potència que pot lliurar i el seu consum.
El volum d’un cilindre (Vc) es calcula a partir del seu radi (r) i de la cursa (c). La cursa és la distància màxima que recorre l’èmbol: entre el PMS i el PMI.
\begin{equation*} V_c = \pi \cdot r^{2} \cdot c\,[c{m^3}] \end{equation*}
El volum màxim d’un cilindre (Vmàx.) es calcula sumant el volum del cilindre (Vc) i el volum de la cambra de combustió (Vmín.)
\begin{equation*} V_{\text{m‡x.}} = V_{c} + V_{\text{mÌn.}}\,[cm^{3}] \end{equation*}
La cilindrada del motor (Vt) dependrà del nombre de cilindres (nc) que tingui:
\begin{equation*} V_{\text{t}} = V_{\text{m‡x}} + n_{c}\,[cm^{3}] \end{equation*}
En tots els càlculs anteriors, cal utilitzar els centímetres com a unitat de mesura per tal d’obtenir els valors en centímetres cúbics.
BRelació de compressió
La relació de compressió d’un motor es calcula amb el quocient entre el volum màxim (Vmàx.) i el volum de la cambra de combustió (Vmín.)
\begin{equation*} r_{c} = \frac{V_{\text{m‡x.}}}{V_{\text{mÌn.}}}(\text{no tÈ unitats}) \end{equation*}
La relació de compressió, que no té unitats, s’expressa en forma de fracció amb el denominador unitari. Per exemple, una relació de compressió 10:1 significa que el volum màxim del cilindre és 10 vegades el de la cambra de combustió. O, en un altre exemple, una relació 17:1 vol dir que el volum màxim del cilindre és 17 vegades superior al de la cambra de combustió.
En els motors Otto, està entre 8:1 i 11:1; més enllà, el motor no funciona correctament. En els motors dièsel pot arribar a 22:1.
CPotència
La potència depèn de la freqüència de rotació del cigonyal o arbre de sortida del motor. Aquesta velocitat és variable, i per això els fabricants donen la potència màxima i el valor de freqüència de rotació a què s’aconsegueix. Per exemple: 100 kW a 6 500 min–1. Tanmateix, des d’un punt de vista constructiu, la potència depèn de diversos factors, però un dels més característics és la cilindrada total. Normalment, a més cilindrada, més potència, però també més consum de combustible.
SABIES QUE...
El cavall de vapor (CV) és una unitat de mesura de la potència que no forma part del sistema internacional d’unitats.
1 CV equival a 735,5 W
Un cotxe té un motor de gasolina amb les característiques tècniques següents:
-
Potència màxima: 74 kW a 6 000 min–1 Nombre de cilindres: 4
-
Cilindrada: 1 398 cm3 \begin{equation*} \text{Diàmetre} \times \text{cursa: }73,4 \times 82,6\text{ mm} \end{equation*}
-
Relació de compressió: 10,5:1
Quins valors de volum màxim i mínim té cada un dels seus cilindres? Quina és la potència expressada en cavalls de vapor (CV)?
\begin{equation*} \text{Volum màxim: } V_{t} = V_{\text{m‡x}} \cdot n_{c} \Rightarrow V_{\text{m‡x}} = \frac{V_t}{n_c}
= \frac{1\,398}{4} = 349,5\text{ cm}^{3} \end{equation*}
Si la relació de compressió és 10,5:1 significa que el volum màxim és 10,5 vegades superior al volum mínim. Per tant, 9,5 parts del volum màxim corresponen al volum del cilindre, i l’altra part al volum de la cambra de combustió.
\begin{equation*} \text{El volum de la cambra de combustió: } V_{\text{mÌn}} = \frac{V_c}{r_c-1} = \frac{349,5}{10,5
- 1} = 36,8\text{cm}^{3} \end{equation*}
\begin{equation*} \text{La potència en CV: }\frac{P\,(W)}{736\,(\text{W/CV})} = \frac{74\,000}{736} = 100,5\,CV
\end{equation*}