escola an oia mÀquines tÈrmiques · 3.2) evolució històrica dels motors d’explosió interna...

Tecnologia - 3er d’E.S.O.

1/30

Escola Anoia

MÀQUINES TÈRMIQUES

ÍNDEX

1) INTRODUCCIÓ ___________________________________________________ 2

1.2) Classificació de màquines tèrmiques___________ _________________________ 3

2) MÀQUINA DE VAPOR (màquina de combustió externa) _ ________________ 4

2.1) Introducció ___________________________________ ______________________ 4

2.2) Les parts més importants de les màquina de vap or ________________________ 5

2.3) Les màquines de vapor rotatives: Les turbines. ___________________________ 8

3) MOTORS D’EXPLOSIÓ INTERNA (ALTERNATIUS) _________ ___________ 11

3.1) Introducció ___________________________________ _____________________ 11

3.2) Evolució històrica dels motors d’explosió inte rna ________________________ 11

3.3) Les parts més importants d’un motor ___________ _______________________ 12

3.4) Funcionament d’un motor Otto de 4 temps _______ _______________________ 18

3.5) El funcionament d’un motor Diesel de 4 temps__ _________________________ 21

3.6) Generalitats dels motors de 4 temps ___________ ________________________ 22

3.7) Funcionament d’un motor de 2 temps ____________ ______________________ 24

3.8) Comparació entre el motor Diesel i el de gasol ina ________________________ 25

4) MOTORS D’EXPLOSIÓ INTERNA (ROTATIUS) ____________ ____________ 26

4.1) Els motors a reacció__________________________ _______________________ 26

4.2) El motor Wankel _______________________________ _____________________ 27

5) LA CONTAMINACIÓ DEL MOTOR D’EXPLOSIÓ ____________ ___________ 29


2/30

Escola Anoia

1) INTRODUCCIÓ Les màquines tèrmiques aprofiten l’energia tèrmica de combustibles com el carbó, la fusta, gasolina, etc. (mitjançant una combustió)., per transformar-la en energia mecànica capaç de realitzar un treball útil. 1.1) Definició de màquina tèrmica :

"Màquines que transformen l’energia tèrmica en energ ia mecànica o a l’inrevés."

Per poder cremar un combustible (combustió) calen els següents elements:

• Combustible. • Oxigen. • Flama o guspira.

En la combustió es produeix una reacció química en el combustible (gasolina o gasoil) es combina amb l’oxigen de l’aire (oxidació ) i s’allibera molta energia (és una reacció exotèrmica ), part de la qual farà funcionar el motor. Els combustibles en general, i concretament la gasolina, es tracta d’una barreja d’hidrocarburs (compostos que tenen carboni i hidrogen en diferents proporcions), que s’obté del petroli. La gasolina és altament inflamable i pot despendre gasos tòxics perillosos, pel que cal anar en compte a l’hora de manipular-la o emmagatzemar-la. La reacció química teòrica , que es produeix en el moment que la guspira o flama inicia la combustió, és la següent: COMBUSTIBLE (barreja d’hidrocarburs) + O 2 CO2 + H2O + ENERGIA (calor)

(oxigen) (diòxid de carboni) (aigua)

A la pràctica també apareixen hidrocarburs no cremats, òxids de nitrogen, monòxid de carboni, etc., que, juntament amb el diòxid de carboni, són força perjudicials per al medi ambient i la salut de les persones.

Les màquines tèrmiques es poden classificar segons si la combustió es realitza a l’interior o a l’exterior del motor:

• Màquines tèrmiques de combustió interna.

• Màquines tèrmiques de combustió externa.


3/30

Escola Anoia

1.2) Classificació de màquines tèrmiques :

Esquema amb la classificació de les principals màquines tèrmiques


4/30

Escola Anoia

2) MÀQUINA DE VAPOR (màquina de combustió externa) 2.1) Introducció : La màquina de vapor converteix l’energia tèrmica en energia mecànica (en forma de moviment). La conversió d’aquesta energia és possible gràcies a l’aprofitament de l’energia química emmagatzemada a l’interior del combustible emprat, ja sigui carbó, fusta o gasoil. Aquesta energia es transforma en primera instància en energia tèrmica (calor) i finalment es transforma en energia mecànica i posteriorment en moviment (que tradicionalment s’havia utilitzat generalment a la indústria tèxtil per fer moure els telers de l’època). El vapor és el fluid intermediari escollit per transformar l’energia emmagatzemada a l’interior del carbó, cap a l’energia mecànica finalment produïda a la màquina de vapor. Aquest aprofitament es realitzava en diferents etapes o processos:

1er: La combustió del carbó o altres combustibles es realitza al fogar generant la calor necessària per provocar l’evaporació de l’aigua i la seva conversió en vapor. 2on: El vapor a alta temperatura i alta pressió s’acumula en la caldera i proporciona la pressió necessària per provocar el moviment de la màquina de vapor. 3er: Un cop utilitzat el vapor a la màquina de vapor, es produeix el retorn d’aquest a la caldera per repetir un altra cop el cicle d’evaporació.

Aquest cicle es representa mitjançant el següent diagrama de blocs:

Representació del processos que es realitzen en la màquina de vapor

Com a motor de combustió externa la principal característica de la màquina de vapor consisteix en que el combustible es crema (combustió) de forma externa, en un dispositiu situat a l’exterior de la màquina de vapor anomenat caldera. Per aquest motiu en una màquina d’aquest tipus, es pot diferenciar clarament la separació d’aquestes dues parts, ja que fins i tot en molts casos, es trobaven en espais diferents:

Caldera de la màquina de vapor

Màquina de vapor


5/30

Escola Anoia

2.2) Les parts més importants de les màquina de vap or : 2.2.a) LA CALDERA. La caldera és el lloc on es crema el combustible que proporciona l’energia calorífica que s’utilitza per transformar l’aigua líquida en vapor. Dins la caldera hi havia uns tubs en forma de serpentí pels quals circulava l’aigua, que per acció de la calor s’escalfava i es transformava en vapor. El vapor, que adquiria així una pressió elevada, continuava per les canonades fins arribar al cilindre. En la següent figura es pot apreciar clarament aquests tubs a l’interior de la caldera i a on es dirigien posteriorment:

Esquema del funcionament conjunt de caldera i màquina de vapor. La caldera, al ser un recipient tancat, la pressió era molt alta i per això la temperatura assolida pel vapor superava els 100ºC. Les calderes de les màquines de vapor al funcionar bàsicament amb carbó o fusta, generaven, en produir-se la combustió, uns residus: els fums i les cendres . Els fums es llençaven a l’atmosfera a través de les xemeneies (en poblacions com Barcelona, Terrassa Sabadell o Igualada encara en queda alguna), i per eliminar les cendres calia parar la caldera per poder-la netejar. És per aquest motiu que en algunes industries incorporaven dues calderes a la màquina de vapor, de manera que una sempre estava en funcionament i no s’aturava mai la producció.

2.2.b) EL CILINDRE I EL DISTRIBUÏDOR:

L’alta pressió del vapor injectat al cilindre feia que el pistó es desplacés des de PMI (punt mort inferior) al PMS (punt mort superior).

Serpentí


6/30

Escola Anoia

Esquema on es representa el moviment del conjunt pistó-biela-volant d’inèrcia

Quan el pistó arribava al PMS el vapor s’introduïa per l’altre extrem del cilindre fent que el cilindre es desplacés en sentit contrari. Per dirigir aquest vapor a una banda i altra del cilindre, es va dissenyar el distribuïdor , que obre i tanca espais de pas per al vapor (les 2 vàlvules d’entrada de la part superior del cilindre). D’aquesta manera quan l’èmbol anava en un sentit, hi havia una vàlvula d’entrada oberta i quan l’èmbol anava en sentit contrari, s’obria l’altra. Aquest fenomen es pot observar en les següents figures:

Esquema del cilindre i el distribuïdor en les dues posicions:

PMS i PMI. Esquema del cilindre amb les seves corresponents vàlvules.

2.2.c) BIELA – MANOVELLA - VOLANT D’INÈRCIA

El vapor s’expandeix com un gas a l’interior del cilindre de la màquina i empeny l’èmbol o pistó per convertir l’energia del vapor en energia mecànica. L’energia mecànica es manifesta en forma de moviment rectilini alternatiu del pistó i, com que el pistó anava unit al mecanisme de la biela-manovella , aquest moviment rectilini es transforma en moviment circular. Aquest moviment circular adquireix una gran uniformitat gràcies al volant d’inèrcia , que és una roda fabricada amb un material pesant justament amb aquest objectiu.

PMS PMI

Pistó

Eix excèntric

Eix central

Biela

Cilindre

Volant d’inèrcia (excèntrica)


7/30

Escola Anoia

Sistema cilindre - biela – manovella – volant d’inèrcia A dins de la màquina de vapor, els punts morts són aquells punts del recorregut en els quals l’èmbol del pistó (a dins del cilindre) assoleix els extrems del seu recorregut; és just en aquestes posicions quan l’èmbol canvia de sentit (d’esquerra a dreta i a l’inrevés). Gràcies a la inèrcia del volant pesat, s’aconsegueix superar aquests punts morts aconseguint un moviment continuat i uniforme, i garantint així l’estabilitat del moviment de la màquina de vapor. El vapor que ja ha lliurat la seva energia a la màquina de vapor torna a la caldera, a una temperatura inferior, formant un circuit tancat. Per retornar-lo a la caldera passava en primer lloc pel condensador , just a sota de la màquina de vapor, que té la missió bàsicament de convertir el vapor un altra cop a aigua en estat líquid:

Diagrama simplificat de la màquina de vapor on s’aprecia el circuit amb el condensador

2.2.d) EL REGULADOR DE LA VELOCITAT

El regulador de boles centrífugues (o de Watt) és l’aparell que tenia l’objectiu de fer que la velocitat de la màquina de vapor fos constant per a qualsevol règim de treball (és a dir, tant si cremava poc com molt combustible a la caldera generant més o menys vapor).

Aquest dispositiu consistia en dues boles pesants que giraven a una velocitat proporcional a la velocitat de la màquina de vapor principal.

Al accelerar la velocitat de la màquina, la força centrífuga (la mateixa força que, per exemple, actua sobre un cotxe empenyent-lo cap a l’exterior de la carretera al traçar una corba) feia enlairar les boles. Al enlairar-se aquestes, tancaven a la vegada la vàlvula d’accés del vapor al cilindre, disminuint així la velocitat de la màquina de vapor al tancar-se el pas d’aquest. En

Mov. lineal alternatiu


8/30

Escola Anoia

sentit contrari, al disminuir el pas del vapor a la màquina de vapor, les boles baixaven i en conseqüència la vàlvula de vapor tornava a obrir el pas d’aquest cap al cilindre, i la màquina es tornava a accelerar un altra cop.

Repetint-se aquest procés cíclic de forma contínua, es podia regular de forma automàtica la velocitat de la màquina de vapor.

Esquema del funcionament del regulador de boles

(centrífugues)

Representació de la força centrífuga actuant sobre

un cotxe que traça una corba En el següent enllaç es pot observar una animació del principi en que es basa el regulador de boles centrífug a l’hora de controlar la quantitat de vapor que entra al cilindre:

http://automata.cps.unizar.es/animhistoria/4444.html

Com a resum general, a continuació s’adjunta un enllaç amb una explicació del funcionament global de la màquina de vapor:

http://www.youtube.com/watch?v=koi1IjGnyyI&feature=player_embedded

2.3) Les màquines de vapor rotatives: Les turbines.

Les turbines són màquines rotatives de combustió externa normalment utilitzades per accionar generadors en la producció d’energia elèctrica (com per exemple a les centrals tèrmiques). Aquest procés de producció d’energia elèctrica es possible gràcies a l’aprofitament de l’energia que es genera al produir vapor d’aigua a la caldera a partir d’una combustió (igual que en les màquines de vapor).

Esquema d’una turbina de vapor associada amb un generador elèctric (esquerra) i secció d’una turbina (dreta).


9/30

Escola Anoia

TIPUS DE TURBINES DE VAPOR:

a) Turbines d’acció: El vapor arriba a la turbina tot passant per unes toveres que dirigeixen el vapor cap una àleps , que es troben situats al voltant d’un rodet giratori anomenat rotor . El vapor juntament amb el rotor queda confinat a l’interior de l’estator , que es tracta d’una carcassa externa que els encabeix. L’enorme pressió del vapor projectat sobre els àleps del rotor fa girar l’eix de la turbina (que sol anar unit pel mateix eix a un generador elèctric).

Parts més importants de la turbina de vapor d’acció

Detall del rotor amb els àleps

b) Turbines reacció: és formada per parelles de pales amb boques de sortida de vapor oposades en els seus extrems. El vapor, en sortir, crea un parell de forces que les fa girar (es basen en el mateix principi físic d’acció-reacció en el que es basen les turbines (veure l’apartat de motors a reacció de l’aviació).

Esquema que representa el funcionament d’una turbina de reacció

Àleps

Conducte

Vapor

Flux de vapor

ROTOR

Forma dels àleps

Rotor

Estator


10/30

Escola Anoia

A continuació s’adjunta un enllaç per ampliar la informació del funcionament de les turbines de vapor d’acció que s’utilitzen en algunes centrals tèrmiques (el contingut descrit en aquest vídeo no s’inclou en l’abast d’aquest curs, pel que aquest vídeo és de visualització totalment voluntària):

http://www.youtube.com/watch?v=4ArKyWHttZg&feature=related


11/30

Escola Anoia

3) MOTORS D’EXPLOSIÓ INTERNA (ALTERNATIUS) 3.1) Introducció : Un motor d’explosió de combustió interna crema el combustible en el seu interior, al contrari del que succeïa en la màquina de vapor, on calia la combustió del carbó en una caldera externa al pistó. Aquest fet permet que els motors d’explosió interna siguin molt més compactes que les màquines de vapor, i tot i que ocupen molt menys espai, produeixen una major quantitat d’energia. La idea bàsica del funcionament d’un motor de combustió interna és produir dins del cilindre (en una reacció química de combustió) el gas a pressió que proporcionarà l’energia suficient per empènyer l’èmbol del pistó. Per aconseguir-ho, cal fer explotar, dins del cilindre, una certa quantitat finament polvoritzada de combustible líquid perquè produeixi diversos gasos (bàsicament, CO2 i H2O). Aquest combustible pot ser bàsicament, en el cas de l’automoció, la gasolina o bé el gasoil. La gasolina és una barreja d'hidrocarburs derivada del petroli que s'utilitza com a combustible en motors de combustió interna amb encès a espurna, així també com aplicacions en estufes, llums, neteja amb solvents i altres més. La gasolina com líquid inflamable pot encendre fàcilment per la calor, guspires o les descàrregues electrostàtiques. Els gasos produïts en la combustió, que tenen més pressió que la barreja de gasolina i aire inicial, empenyen l’èmbol cap enfora. Aquests gasos són posteriorment eliminats del cilindre, al qual es fa entrar novament més gasolina i aire quan l’èmbol ha recuperat la posició inicial, i així, successivament. El moviment de vaivé produït en l’èmbol es transmet i es converteix en moviment de rotació d’un eix (anomenat cigonyal) gràcies a un sistema de biela-manovella. Aquest eix és el que posteriorment transmetrà moviment a les rodes del vehicle. 3.2) Evolució històrica dels motors d’explosió inte rna: L’aparició del petroli ha estat un element clau en el progrés tecnològic perquè és energia portàtil que pot ser utilitzable en qualsevol lloc. L’explotació intensiva del petroli va tenir lloc als EUA l’any 1859 amb l’inici de les primeres perforacions petrolíferes. A la segona meitat del segle XIX ja s’havien construït els primers motors d’explosió interna, que utilitzaven com a combustible gas, polvora, hidrogen i altres substàncies explosives, alguns d’ells van arribar a funcionar acceptablement bé. Però no va ser fins el 1876 que el tècnic alemany Nikolaus Otto va fabricar el model de motor en què es van basa els futurs motors de benzina (gasolina). Usava quatre moviments (quatre temps) del pistó per produir l’energia mecànica per moure el motor; fou conegut amb el nom de motor de quatre temps . El 1886 Gottlieb Daimler i Karl Benz van adaptar el motor de Otto per que usés benzina, més profitosa que el gas per moure un vehicle, i van fabricar el primer automòbil . L’any 1892, l’enginyer alemany Rudolf Diesel va crear un motor de combustió interna que utilitzava gasoil i que funcionava per principis diferents dels del cicle d’Otto, ja que no es


12/30

Escola Anoia

basava en l’explosió del combustible (com el de gasolina), sinó en la seva combustió progressiva a mesura que entrava en el cilindre a una pressió més elevada. La utilització de la gasolina per fer funcionar el motor d’explosió va revolucionar el sistema de transport. El motor d’explosió aplicat a l’automòbil, al camió o a l’autobús va desplaçar definitivament el carro i la diligència en distàncies curtes. Al llarg del segle XX l’automòbil va passar de ser un objecte d’ús de classes benestants al principi, a convertir-se finalment en un objecte de consum multitudinari. 3.3) Les parts més importants d’un motor :

Vista en 3D d’un motor de gasolina amb quatre cilindres

Càrter

Volant d’inèrcia

Pistó

Bloc Cilindre

Vàlvules

Culata

Arbre de lleves

Cigonyal


13/30

Escola Anoia

Vista en secció d’un cilindre i altres components d’un motor 4Temps de gasolina

3.3.a) EL PISTÓ

És la peça que es mou, de dalt a baix, per l’interior del cilindre i que rep impuls durant la fase de combustió i expansió únicament. Les altres etapes del cicle es realitzen gràcies a les forces d’inèrcia resultants. Té forma cilíndrica i en el centre hi ha un orifici en què s’allotja un passador conegut per buló , que serveix d’eix, on s’articula la biela. La funció del pistó és suportar la pressió produïda per l’explosió de la mescla i transmetre-la, mitjançant la biela, a l’arbre motor. Porta a la part de dalt uns anells o segments l’objectiu dels quals és compensar la diferent dilatació deguda a la distribució de la temperatura.

Representació de parts del pistó i biela

Fotografia de les diferents parts d’un pistó

Pistó

Buló

Anells del cilindre


14/30

Escola Anoia

3.3.b) EL CILINDRE El cilindre és l’espai en forma cilíndrica on està contingut el pistó, que es mou amunt i avall de forma cíclica. Segons la configuració del motor i en funció del tipus de vehicle, podem tenir diferent nombre de cilindres i diferent posicionament d’aquests dins els motors:

Configuracions típiques dels cilindres en motors d’explosió interna. En el cas concret dels cotxes actuals, la configuració més usual és la del motor de quatre cilindres en línia :

3.3.c) LA BIELA

La biela és l’element que transmet la força i el moviment del pistó fins al cigonyal. En els seus dos punts d’articulació es posen coixinets que estan lubrificats per l’oli del motor. Les seves principals parts són les següents:

Vista 3D de la biela amb cilindre (transparent)

Vista 3D de la biela amb les corresponents parts

Peu

Cos

Cap

Orifici per cargol


15/30

Escola Anoia

Quan el pistó és al més a prop possible de la culata (180º), diem que es troba en el punt mort superior (P.M.S.), i quan es troba el més allunyat possible de la culata (0º), diem que es troba en el punt mort inferior (P.M.I.). Aquestes posicions s’anomenen punts morts perquè el pistó no pot fer força sobre la biela.

Esquemes de representació del moviment circular de la biela i la seva relació amb la determinació del P.M.S. i el P.M.I.

3.3.d) EL CIGONYAL

La funció del cigonyal es transformar el moviment lineal dels pistons en moviment rotatori. Per fer la seva tasca el cigonyal està sotmès a la força alternativa de tots els pistons. Els pistons, durant el recorregut, tenen uns temps morts, per això el cigonyal té en llocs molt ben calculats, uns contrapesos que fan la mateixa funció que el volant d’inèrcia de la màquina de vapor, és a dir, el cigonyal fa girar el motor quan no hi ha força. A més a més, a un extrem del cigonyal s’acobla una roda pesada d’acer que serveix per regularitzar el moviment del motor. Si el cigonyal no estes ben equilibrat podria produir moltes vibracions.

Bloc d’un pistó aïllat Conjunt pistó-biela Cigonyal

Conjunt pistó-biela-cigonyal


16/30

Escola Anoia

A continuació s’adjunta un enllaç a un vídeo on es representa el moviment conjunt del cigonyal, la biela i el pistó, des de diferents punts de vista:

http://www.youtube.com/watch?v=v_b33fbMs7A

3.3.e) LA BUGIA

La bugia és l’element encarregat de provocar l’explosió mitjançant l’aplicació d’un elevat voltatge entre dos elèctrodes. Està situat a la culata del motor (part superior del cilindre) i amb una part (la dels dos elèctrodes) que entra a l’interior del cilindre. Si des de l’exterior apliquem una tensió elèctrica elevada, farem saltar a l’interior una descàrrega elèctrica (guspira ) que provocarà l’explosió de la gasolina.

Fotografia d’una bugia i vista detallada

del capçal amb elèctrodes

Esquema amb les parts d’una bugia

(elèctrode central i el de massa) Guspira elèctrica entre els 2 elèctrodes

Per poder ampliar els coneixements sobre les parts i el funcionament de les bugies, pots accedir a un vídeo complementari (de visualització voluntària) al següent enllaç:

http://www.youtube.com/watch?v=8q3my871Nnk&feature=related

3.3.f) LES VÀLVULES

Les vàlvules, situades a la part superior del cilindre (culata), són les encarregades de deixar entrar el combustible i l’aire per una banda i de permetre l’expulsió dels gasos que es produeixen en la combustió per l’altra. Als motors de 4T hi ha una sèrie de mecanismes basats en les lleves i les palanques que s’encarreguen d’obrir i tancar les vàlvules.

Vista en secció de la part superior del cilindre on s’allotgen les vàlules


17/30

Escola Anoia

La vàlvula d’admissió s’obrirà per deixar entrar la barreja de combustible i aire (fase d’admissió), a continuació es tancarà per deixar pas a la combustió, i després d’aquesta la vàlvula d’escapament s’obrirà per deixar sortir els gasos resultants de la combustió. A continuació s’adjunta un enllaç a un vídeo on es pot apreciar el moviment d’aquestes dues vàlvules (mitjançant l’ajut d’una microcàmera col·locada a l’interior d’un cilindre:

http://www.youtube.com/watch?v=Sl8a8CNiJ3w&feature=player_embedded

Un motor de 16 vàlvules són motors que tenen 4 cilindres i 4 vàlvules per cilindre, dues d’admissió i dues d’escapament. D’aquesta manera el rendiment i la potència del motor augmenta ja que els gasos de combustió i d’escapament poden entrar i sortir del cilindre més ràpidament. A continuació s’adjunta un enllaç a un vídeo que mostra una representació del funcionament d’un motor amb 4 cilindres i 4 vàlvules per cilindre:

http://www.youtube.com/watch?v=IfTUYMheRtA&feature=related

3.3.g) EL CARBURADOR

El carburador controla la barreja de benzina i d’aire que arriba als cilindres del motor. En fer baixar el pistó, el cilindre aspira aire. Un carburador funciona aplicant l’efecte Venturi , és a dir de manera semblant a com funcionen els polvoritzadors manuals. Un tub amb un forat molt petit anomenat gicler té la part inferior submergida dins d’una cubeta amb gasolina. La part superior és dins de la conducció que dirigeix a la vàlvula d’admissió. Quan el pistó xucla l’aire per aquesta conducció, del gicler surten unes petites gotes de gasolina que es mesclen amb l’aire: s’ha produït una vaporització. Aquest efecte Venturi es produeix quan a mesura que l’aire passa per una secció molt estreta anomenada difusor (S1>S2), la seva pressió va disminuint (P1>P2), però la seva velocitat augmenta (V1>V2) i es produeix una aspiració de benzina de la cubeta. Aquesta barreja d’aire i de combustible circula fins al cilindre, on es crema.

Diagrama de l’efecte venturi en que es basa el carburador

Fotografia d’un carburador d’un motor de gasolina.

V1 < V2


18/30

Escola Anoia

A continuació s’adjunta un enllaç a un vídeo on es veu el funcionament d’un carburador basat en l’efecte Venturi:

http://www.youtube.com/watch?v=7cb2CbIfDeA&feature=related La barreja de combustible i aire es produeix en el carburador, on l’aire que entra cap al cilindre arrossega gotes de combustible cap a l’interior, sent aquest un sistema poc precís. Actualment molts dels motors d’automòbils tenen nous sistemes d’alimentació basats en la injecció electrònica o la turboalimentació : En la injecció electrònica el combustible s’introdueix per uns injectors, en lloc de passar pel carburador, polvoritzant-se en forma de minúscules gotes de combustible a la cambra del cilindre just abans de l’explosió. Els injectors són controlats per un circuit electrònic de manera que en cada moment el motor rep la quantitat justa de carburant en funció de la potència que necessita. Aquest sistema permet obtenir una eficiència i rendiments més elevats que els motors on hi ha el carburador. Per a qui vulgui aprofundir més en el coneixement d’aquest sistema d’injecció, pot visualitzar un vídeo complementari que amplia la informació aquí donada (la visualització d’aquest vídeo és de caràcter únicament voluntari, ja que el que s’hi explica queda fora de l’objectiu del present curs):

http://www.youtube.com/watch?v=oS2-cAMEjLM&feature=related

En el sistema de turboalimentació els gasos combustibles s’introdueixen al cilindre a una pressió superior a l’atmosfèrica. En aquest sistema s’aprofita la força de sortida dels fums de la combustió del motor per fer girar una turbina, que dóna un impuls superior a l’aire d’entrada al motor. D’aquesta manera augmenta la quantitat i la velocitat d’entrada dels gasos combustibles a l’interior del cilindre, i per tant, permetent entrar més combustible en el cilindre i provocant explosions que doni més potència el motor. Per a qui vulgui aprofundir més en el coneixement d’aquest sistema turbo, pot visualitzar un vídeo complementari que amplia la informació aquí donada (la visualització d’aquest vídeo és de caràcter únicament voluntari, ja que el que s’hi explica queda fora de l’objectiu del present curs):

http://www.youtube.com/watch?v=hzCyjSaDsuE&feature=related 3.4) Funcionament d’un motor Otto de 4 temps : El funcionament del motor de cicle Otto consta de quatre fases anomenades quatre temps . Les fases són successives i formen un cicle que es va repetint cíclicament mentre el motor funciona. Les explosions de la gasolina fan que el pistó es mogui amunt i avall dins el cilindre fent girar el cigonyal a través de la biela, i el moviment del cigonyal es transmet fins a les rodes. Les fases del cicle Otto són les següents: admissió , compressió , explosió i escapament . En el motor de 4 temps el pistó realitza les 4 fases (o temps) en 4 recorreguts del pistó ):


19/30

Escola Anoia

Esquema amb les 4 fases del motor de 4 temps.

1r temps: fase d’admissió En aquesta fase, el pistó o èmbol es desplaça del PMS cap al PMI. Al mateix temps que es desplaça el pistó, la vàlvula d’admissió s’obra i permet l’entrada d’aire i gasolina barrejats prèviament en el carburador, omplint així tot el cilindre, mentre que és manté tancada la vàlvula d’escapament. En el recorregut durant la fase d’admissió, el pistó crea un cert buit en el cilindre, amb la qual cosa es facilita encara més l’aspiració de la mescla d’aire i gasolina. 2n temps: fase de compressió El pistó que ja ha arribat a la posició PMI, retrocedeix fins a la posició inicial del PMS. Durant el recorregut, totes les vàlvules del motor estan tancades, i l’únic que aconsegueix el pistó en els seu desplaçament és comprimir la mescla d’aire i gasolina. Quan el pistó puja, comprimint fortament la barreja d’aire i gasolina dins la cambra d’explosió, s’està provocant un augment de la temperatura. 3r temps: fase d’explosió La fase d’explosió comença quan tenim novament el pistó en la posició PMS. En aquest punt, la part de cilindre que conté la mescla d’aire i gasolina té ara un volum molt petit comparat amb el total del volum del recipient (el volum mínim). Durant la fase de l’explosió les vàlvules (d’admissió i escapament) es mantenen tancades i l’explosió s’inicia amb una descàrrega elèctrica, dins del cilindre, provocada per la bugia. Els gasos produïts en l’explosió tenen una pressió molt superior a la de la mescla combustible inicial, i obliguen el pistó a baixar fins al punt de volum màxim (PMI). Després de l’explosió del combustible el cilindre queda ple de fum, producte de la combustió de la barreja de gasolina i aire. 4t temps: fase d’escapament

En la quarta fase, el pistó es desplaça novament del PMI al PMS. En aquest recorregut, a més, s’obre la vàlvula d’escapament de gasos, que són evacuats del cilindre. En aquesta fase la vàlvula d’admissió resta tancada. En arribar al PMS, el pistó torna a estar en condicions d’iniciar novament el cicle sencer dels quatre temps.


20/30

Escola Anoia

Dels 4 temps del cicle, només el tercer (l’explosió) és productiu; els altres temps consumeixen part de l’energia produïda pel tercer.

Representació esquemàtica dels 4 temps del cicle Otto.

A continuació s’adjunta un enllaç a un vídeo on s’explica de forma resumida el funcionament del cicle Otto de 4 temps:

http://www.youtube.com/watch?v=6-udN4cZ6HU

El cicle Otto es pot representar gràficament mitjançant un gràfic P-V (pressió a l’eix d’ordenades i volum a l’eix d’abcisses), en el que representen com varien aquestes dues variables al llarg dels 4 temps del cicle:

Diagrames amb la representació gràfica del cicle de 4T d’un motor gasolina

A continuació s’adjunta uns enllaços per poder entendre mitjançant animacions i vídeos el cicle del motor de 4 temps:

http://www.maestrojuandeavila.es/tecnologia/temas/mec/motor_4_tiempos_ciclo_otto.swf


21/30

Escola Anoia

3.5) El funcionament d’un motor Diesel de 4 temps : El funcionament d’un motor Diesel de 4T podria semblar que és similar a un Otto 4T, però en realitat hi ha algunes diferències que es basen en la manera d’introduir el combustible al cilindre i de produir-ne l’explosió. També cal diferenciar la manera com es consumeix el combustible, ja que el motor Dièsel és més econòmic i menys contaminant que el motor d’explosió. El funcionament del motor Diesel de 4 temps és el següent:

1r temps: fase d’admissió El pistó es desplaça del PMS al PMI, amb la vàlvula d’admissió oberta, i això provoca l’entrada d’aire (sense combustible ) al cilindre. La vàlvula d’expulsió de gasos es manté tancada. 2n temps: fase de compressió El pistó es desplaça des del PMI fins al PMS, i durant el seu recorregut va comprimint l’aire que hi ha a dins del cilindre. Totes les vàlvules es mantenen tancades, raó per la qual l’aire es comprimeix ràpidament fins a acumular una pressió molt alta (compressió més elevada que en els motors de gasolina ). D’aquesta manera, com que és sotmès a una compressió més ràpida i elevada, també s’escalfa més, fins a assolir una temperatura considerablement més elevada. 3r temps: fase d’explosió Quan el pistó torna a desplaçar-se del PMS al PMI, amb totes les vàlvules tancades, per un injector s’introdueix combustible (gasoil) al cilindre. En aquest moment i a causa de l’alta temperatura que s’assoleix dins la cambra de combustió, el combustible s’inflama (sense la necessitat d’una guspira elèctrica) i es produeixen una gran quantitat de gasos que empenyen amb força el pistó cap a la part inferior del cilindre. 4t temps: fase d’escapament Aquesta fase és la mateixa que en el cicle d’Otto. S’obre la vàlvula d’escapament i el pistó va del PMI cap al PMS, arrossegant els gasos provocats per la combustió cap a l’exterior del cilindre. En un principi, degut a les altes pressions que havia de suportar un motor Diesel per comprimir l’aire de manera suficient per que assolís temperatures elevades, es requeria que el motor fos molt robust i en conseqüència tenia un pes força elevat. Per tant, els pesants motors Diesel no resultaven adequats per als primers automòbils, de manera que es van instal·lar preferentment a vaixells, locomotores i camions. Els motors Dièsel van revolucionar el transport pesant de persones i mercaderies a partir del segle XX, i van fer possible l’aparició de noves i potents màquines automotores. A continuació s’adjunta uns enllaços per poder entendre mitjançant animacions i vídeos el cicle del motor de 4 temps:

http://www.maestrojuandeavila.es/tecnologia/temas/mec/motor_4_tiempos_ciclo_diesel.swf


22/30

Escola Anoia

http://www.youtube.com/watch?v=v4XNKDqKVt0 3.6) Generalitats dels motors de 4 temps : La gran majoria de motors de quatre temps estan formats per quatre cilindres. Els pistons dels quatre cilindres es mouen de forma compassada units pel cigonyal. Tots quatre efectuen un temps diferent, de manera que el pistó que es troba en el tercer temps (explosió) és el que impulsa el cigonyal, fent que els altres tres pistons es moguin. El cigonyal porta acoblat un contrapès molt pesat (volant d’inèrcia) que té l’objectiu d’acumular força d’inèrcia, i col·laborar en el gir del cigonyal. El recorregut del pistó entre el PMI i el PMS (i a l’inversa) rep el nom de carrera . Cada vegada que el pistó recorre una carrera, el cigonyal dóna mitja volta, de manera que en un cicle sencer el cigonyal dóna dues voltes. El càrter està ple d’oli per assegurar una bona lubrificació dels mecanismes. A continuació s’adjunta un enllaç a una animació on es veu aquest procés:

http://www.autoescuela.tv/mecanica-22_57_39-Motor-Engrase-sistema_de_lubricacion_II En un cilindre hi sol haver un mínim de dues vàlvules, una d’admissió i una d’escapament. Però per tal de millorar l’entrada i sortida de gasos al cilindre, alguns cotxes disposen de dues vàlvules d’admissió i dues d’escapament. Per tant es tracta d’un motor de 16 vàlvules (en el cas d’haver-hi 4 cilindres), obtenint així un millor rendiment. La cilindrada és la suma dels volums de tots els cilindres d’un motor d’explosió. Es pot conèixer el volum d’un cilindre multiplicant la superfície del pistó (π . radi2) per la carrera (el recorregut entre el P.M.S. i el P.M.I.). La cilindrada està relacionada amb la potència del motor; normalment com més alta sigui la cilindrada, més potència tindrà el motor. Pel càlcul de la cilindrada cal aplicar la fórmula del volum del cilindre:

Fórmula de càlcul del volum d’un cilindre


23/30

Escola Anoia

On r és el radi del pistó (en cm) i la carrera és la diferència (en cm) entre el PMS i el PMI. Per tant la cilindrada vindrà donada en cm3.

Detall del càlcul de la cilindrada d’un vehicle

Una altra forma de calcular la cilindrada, també es podria realitzar expressant la cilindrada d’un motor en funció de la seva cilindrada unitària:

Cilindrada unitària = (π . radi2 . carrera)

Cilindrada total = Cilindrada unitària x nombre de cilindres

Com que els motors de quatre temps acostumen a tenir quatre cilindres:

Cilindrada total = Cilindrada unitària x 4

(totes les mesures s’expressen en cm, i per tant la cilindrada ve donada en cm3, també expressat de forma habitual en cc). Els motors de 4T disposen d’un mínim de 4 cilindres. Amb un motor de 4 cilindres i tots 4 funcionant a la vegada, els temps han d’estar sincronitzats amb un quart de cicle de diferència entre cadascun i el següent. Amb l’objectiu que el motor de quatre temps funcioni suaument, es distribueixen els temps del quatre cilindres de manera que l’explosió només es produeixi en un cilindre cada vegada, i així el motor, en el seu conjunt, podrà fer el mateix esforç en tot moment. La seqüència que segueixen les explosions s’anomena ordre d’encesa , en el que s’estableix en quin cilindre en concret es realitzarà l’explosió en cada moment del cicle. Per exemple, en la figura següent l’ordre d’encesa seria 1-3-4-2:

1er: Explosió en el 1er cilindre

2on: Explosió en el 3er cilindre

3er: Explosió en el 4art cilindre

4art: Explosió en el 2on cilindre


24/30

Escola Anoia

3.7) Funcionament d’un motor de 2 temps : Les motocicletes utilitzen motors d’explosió, les més grans i potents acostumen a dur motors de 4T mentre que les més petites utilitzen motors de 2T. Els motors de 2T són mes petits i lleugers. El seu funcionament és molt similar als de 4T. La diferència és que en un cicle el pistó va i torna només una vegada (a diferència dels de 4T que van i tornen dues vegades). Les parts principals d’un motor de 2 temps és el següent:

Secció d’un motor de 2T amb les seves corresponents parts.

El funcionament d’un motor de 2T és el següent: 1r temps: fases d’admissió i compressió Durant aquesta primera fase el pistó es desplaça del PMI al PMS. Amb el seu moviment deixa obert l’espirall d’admissió i tanca el d’escapament dels gasos. A més, mentre entra la mescla de gasolina, aire i oli (per lubricar el motor), el pistó la va comprimint i, quan arriba al PMS, la mescla ja està en condicions de reaccionar químicament. 2n temps: fases d’explosió i escapament En esclatar els gasos (per l’acció de la guspira), el pistó en rep la pressió i es desplaça des del PMS fins al PMI. En el seu moviment, el pistó obre l’espirall d’escapament i s’evacuen els gasos resultants de la combustió cap al tub d’escapament. Tanmateix, en el motor de 2T no s’aconsegueix una combustió perfecte del combustible i, pel tub d’escapament, a més dels gasos de la combustió s’hi expulsa part del combustible mal cremat. Per aquest motiu, els motors de 2T són molt més contaminants que els de 4T.

Espirall d’escapament

Espirall d’admissió

Espirall de transmissió

Culata

Bloc

Càrter

Orificis de sujecció

Cambra de combustió

Bugia

Cigonyal


25/30

Escola Anoia

Fases o temps del motor de 2T

A continuació s’adjunta uns enllaços per poder entendre mitjançant animacions i vídeos el cicle del motor de 2 temps: Animació (EUITA - Universidad de Castilla la Mancha – Càtedra de motores y Máquinas):

http://www.maestrojuandeavila.es/tecnologia/temas/mec/motor2tiempos_convalvula.swf

3.8) Comparació entre el motor Diesel i el de gasol ina: El motor dièsel és més pesat, ja que està reforçat per poder suportar pressions més altes en el seu interior, i a més és més complex. Aquest fet provoca que habitualment el preu d’un vehicle amb motor de gasoil sigui lleugerament superior al d’un vehicle amb motor de gasolina. Un altra fet diferencial és que és més sorollós (tot i que cada vegada menys), i a la vegada és més lent de resposta. Fins no fa gaires anys tots aquests inconvenients feien que s’utilitzés poc en cotxes, en canvi era un motor ideal per a camions, tractors, vaixells, trens, etc., però actualment han millorat molt les seves prestacions (en potència i capacitat de resposta gràcies al sistema turbo i injecció electrònica), pel que aquest tipus de motors han tingut una gran acceptació els darrers anys. Per altra banda el motor dièsel estalvia considerablement en el consum, ja que consumeix poc combustible i utilitza gasoil, un combustible més barat que la gasolina (tot i que en els últims anys aquesta diferència de preu està minvant). A més funciona a menys revolucions, per tant té un desgast menor i pot durar força més anys que un motor de gasolina. Derivat d’aquest menor desgast, també necessita menys manteniment (menys reparacions i controls). Globalment, tenint en consideració la relació del combustible consumit i la potència obtinguda amb aquest, els motors dièsel tenen un rendiment superior als de gasolina.


26/30

Escola Anoia

4) MOTORS D’EXPLOSIÓ INTERNA (ROTATIUS) 4.1) Els motors a reacció :

Els motors a reacció són un tipus de turbines de cicle obert. El principi que fa funcionar els motor a reacció (com els que tenen els avions), es basa en el mateix que quan llencem un coet. Quan la pólvora crema dins el coet es produeixen uns gasos que s’expulsen a gran pressió, això fa que el coet avanci en direcció contrària. Aquest fet constata el principi d’acció i reacció . És un fet provat que les forces actuen per parelles seguint el principi que tota força genera una altra d’igual intensitat, mateixa direcció però de sentit contrari. Llavors si tenen la mateixa intensitat però sentit contrari, per què no s’anul·len entre sí? Senzillament perquè no actuen sobre el mateix objecte. La força d’acció actua sobre els gasos que es produeixen en la combustió de la pólvora i l’altra força de reacció, que serà igual que l’anterior però de sentit contrari, actua sobre la carcassa del coet que el farà impulsar-se endavant. Doncs be, els motors a reacció funcionen d’una manera semblant, són impulsats cap endavant per la força dels gasos que surten a gran velocitat per la part posterior del motor.

Abans d’explicar el funcionament cal tenir en consideració les diferents parts que formen part d’un motor de reacció:

En primer lloc, xucla l’aire de l’exterior i l’injecta a gran pressió a l’interior del motor. En segon lloc, es fa passar l’aire a pressió per una cambra de combustió, on l’oxigen que conté reacciona amb el combustible (querosè que és projectat pels injectors en fines gotes) produint-se una reacció de combustió. Aquesta reacció és possible degut a l’alta pressió i temperatura que hi ha dins de les cambres de combustió, provocant que el querosè exploti.


27/30

Escola Anoia

La combustió del querosè genera una gran quantitat de gasos que surten de les cambres de combustió a gran velocitat en direcció a la turbina, provocant que els gasos resultants tinguin molta energia. Una part d’aquesta energia s’aprofita a més de fer moure la turbina, per fer moure també el compressor que xucla l’aire de l’exterior, ja que tots dos es troben units al mateix eix del motor. En últim lloc, la turbina empeny flux de gas propulsat que surt del motor a gran velocitat. Com a conseqüència d’aquest fet, els gasos que surten per darrere del motor del turboreactor impulsen l’avió cap endavant:

A tall de resum s’adjunta el següent enllaç a una presentació interactiva que explica pas a pas tots els passos d’un motor a reacció i una animació en vídeo:

http://www.edu365.cat/eso/muds/tecnologia/motor_reaccio/index.htm

http://www.youtube.com/watch?v=MUxP3PCDRTE&feature=player_embedded

4.2) El motor rotatiu Wankel : El motor Wankel és un motor rotatiu de combustió interna en què un rotor triangular gira dins d'una carcassa el.líptica especialment dissenyada i que realitza les mateixes funcions que els pistons d'un motor convencional, però reduint el pes i el nombre de parts mòbils. A la carcassa hi trobem per un costat els espiralls d'admissió i escapament i al costat oposat trobem la bugia responsable de la ignició de la mescla.

Esquema amb les parts d’un motor Wankel. El motor Wankel, anomenat així en honor al seu inventor l'enginyer alemany Felix Wankel (a l’any 1963), es va considerar revolucionari i va crear moltes expectatives, però va haver d'esperar uns anys a que la tecnologia de segellat fos prou eficient per assegurar combustions en condicions acceptables. Els principals inconvenients els trobem en la dificultat d'assegurar d’estanqueïtat entre cambres per poder tenir una relació de compressió alta.


28/30

Escola Anoia

El motor Wankel segueix el mateix cicle que un motor alternatiu Otto convencional tot i portar a la pràctica aquest cicle d'una manera ben diferent: per a cada volta complerta del rotor cada un dels seus costats realitza un cicle complert. És a dir, realitza l’admissió, la compressió, l’explosió i l’escapament en una volta complerta del rotor.

Posicions del rotor:

De 1 a 4 (blau): Temps d'admissió.

De 5 a 9 (verd): Temps de compressió

De 10 a 12(vermell): Temps d'expansió

De 13 a 18 (groc): Temps d'escapament.

Els temps d’un motor rotatiu Wankel en una volta complerta del rotor.

1. Admissió . El primer vèrtex del costat del rotor deixa obert l'espirall d'admissió. Degut a la seva velocitat de gir, el rotor crea una depressió que provoca l'entrada de la mescla d'aire i gasolina provinent del carburador. La mescla s'allotja a la cambra formada pel rotor i la carcassa. 2. Compressió . A mesura que gira el costat del rotor la cambra definida entre aquest i la carcassa disminueix el seu volum provocant una compressió de la mescla. Aquesta reducció de volum és deguda a la forma el·líptica de l'interior de la carcassa. 3. Explosió i expansió . En el moment de màxima reducció de volum, màxima compressió, la bugia a través de la guspira origina l'explosió de la mescla. Aquesta explosió provoca el gir del rotor que a mesura que segueix girant permet l'expansió dels gasos residuals de la combustió. Per tal d'evitar un possible impuls en sentit contrari al de rotació, la bugia s'ubica a la part esquerra de la cambra definida pel rotor i la carcassa. Aquest fenomen de la inversió del sentit de gir del rotor, també pot venir provocat per una encesa prematura de la bugia provocant danys importants en el motor. 4. Escapament . El primer vèrtex del costat del rotor deixa obert l'espirall d'escapament. Els gasos surten ràpidament degut a la seva pròpia pressió i degut a l'acompanyament del segon vèrtex vers l'espirall d'escapament. El rotor segueix girant per iniciar un nou cicle de treball. A continuació s’adjunten dos enllaços a vídeos on es pot observar el cicle de 4 temps del motor rotatiu Wankel:

http://www.youtube.com/watch?v=3UlhneTyLIc&feature=fvwrel

http://www.youtube.com/watch?gl=ES&hl=es&v=_9NAuZUMidU


29/30

Escola Anoia

5) LA CONTAMINACIÓ DEL MOTOR D’EXPLOSIÓ : La combustió de gasolina i gasoil en els motors d’explosió genera una sèrie de contaminants que poden afectar de manera important a les persones i al medi ambient. Els òxids de sofre i de nitrogen, que s’alliberen a l’atmosfera en forma de fum, s’incorporen a l’aigua de pluja donant lloc a la pluja àcida, tenen greus efectes corrosius sobre la vegetació.

Efecte de la pluja àcida en la vegetació A part, també provoquen irritacions en els ulls i en les vies respiratòries de les persones. A més, el nitrogen col·labora en la destrucció de la capa d’ozó de l’atmosfera, que ens protegeix de les radiacions perjudicials del sol al filtrar una part dels rajos UV (ultraviolats).

Acció filtrant protectora de la capa d’ozó. El diòxid de carboni (CO2) que surt dels tubs d’escapament queda estancat a la superfície terrestre, i evita que una part de les radiacions que arriben del sol retornin cap a l’espai, provocant així un sobreescalfament (efecte hivernacle).


30/30

Escola Anoia

Efecte hivernacle provocat per l’activitat humana El monòxid de carboni (CO) és altament tòxic per als sers humans ja que es combina amb l’hemoglobina de la sang impedint el transport d’oxigen. En llocs tancats, amb alta concentració de gas, pot arribar a causar la mort. A més, en el fum provinent dels motors s’hi poden trobar altres elements tòxics com són el plom, el cadmi, el crom, etc.

escola an oia mÀquines tÈrmiques · 3.2) evolució històrica dels motors d’explosió interna...

Documents