Motor antic, d'aviació, amb disposició radial dels pistons.
Unmotor de combustió interna és un tipus de màquina que obtéenergia mecànica directament de l'energia química produïda per uncombustible que crema dins d'una cambra de combustió, la part principal d'un motor. S'utilitzen motors de combustió interna de quatre tipus:
El motorcíclic Otto, el seu nom prové del tècnic alemany que el va inventar,Nikolaus Otto. És el motor convencional de gasolina que s'utilitza a l'automoció i l'aeronàutica.
Elmotor dièsel, anomenat així en honor de l'enginyer alemanyRudolf Diesel, funciona amb un principi diferent i sol consumirgasoil. Es fa servir sovint en camions, autobusos i automòbils.
Tant els motors Otto com els dièsel es fabriquen en models de dos i quatre temps.
Cicle de Carnot. C-D Compressió a Temp. cons. D-A Escalfament a Vol. cons. A-B Expansió a Temp. cons. B-C Refredament a Vol. cons.
Elsmotors de combustió interna es van fer com a substituts delsmotors de combustió externa (màquines de vapor), amb la idea de traspassar la font de calor de fora de la màquina (caldera) a dins del cilindre, i així millorar el seu funcionament.
ElPyréolophore, el primermotor de combustió interna, fou concebut, creat i desenvolupat perNicéphore Niépce amb el seu germà major Claude, i va rebre una patent el 20 de juliol 1807 de l'emperadorNapoleó Bonaparte, després de remuntar amb èxit el corrent al riuSaona.[1]
Basats en el cicle de Carnot, publicat en el 1824, i els treballs d'Alphonse Beau de Rochas, publicats en el 1862, es feien motors que consumien gas pobre (gas d'enllumenat). No va ser fins al 1860 queJean Joseph Etiene Lenoir en va fer un que funcionava correctament.
El 1862 el Sr.Nikolaus August Otto va construir un prototip seguint el seu cicle que es va desintegrar, i no va ser fins a 1872 junt ambGottlieb Daimler iWilhelm Maybach varen crear la companyia Gasmotoren-Fabrik Deutz AG, per comercialitzar motors de cicle otto.
En el 1887 el Sr.Rudolf Christian Karl Diesel va publicar un treball anomenatTheorie und eines rationellen construction en Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren, que vol dir de la teoria i la construcció racional d'un motor tèrmic que reemplaci la màquina de vapor i els motors de combustió coneguts avui en dia, que és el principi del seu cicle. En el 1893 i estant empleat en la fàbrica MAN en Ausburg va muntar un prototip que va presentar com amotor d'oli pesant, i el motor funcional el va presentar en l'Exposició Universal de Paris del 1900.
Posteriorment, i basats en aquests treballs, hi han hagut millores, degudes a la seva implantació en automòbils i avions que han millorat el seu funcionament i rendiment.
A Catalunya hi ha hagut grans fàbriques de motors com LaHispano Suiza iLa Maquinista Terrestre y Marítima
-a : Motor en línia. -b i -c : Motor en VMotor BOXERBMW R-75Motor en estrella
En un motor pluricilíndric, i segons la disposició dels cilindres, i han diverses configuracions de motor:
Motor en línia
És el tipus de motor més corrent, en el qual els cilindres estan col·locats un a continuació de l'altre.
Motor en V
És com si uníssim dos motors lineals pelcigonyal, formant una V els dos blocs. És una estructura molt utilitzada en motors grans, i en cotxes americans.
Motor en L
És una derivació del motor en V quan aquesta fa 90°.
És una altra derivació del motor en V en el qual l'obertura de la V és de 180°, és a dir, que els cilindres estan oposats uns amb els altres. Com a exemple tenim les antigues BMW o els cotxes Porsche.
Motor en W
S'anomena així al motor que du més de 2 blocs de cilindres, normalment 3 blocs. Hi ha una altra estructura també coneguda amb el nom de Y, per la disposició de les seves fileres de cilindres, que frontalment recorden aquesta lletra.
Quan els cilindres estan disposats al voltant delcigonyal, parlarem d'un motor en estrella. És de destacar que en aquests motors hi ha unabiela a la que van connectades les altres que s'anomenabiela mare. Com a exemple es pot recordar els antics motors d'aviació.
Motor en H
És quan es connecten elscigonyals de dos motors V, normalment boxer, de manera interna, per mitjà d'engranatges.
La cambra de combustió és uncilindre, generalment fix, tancat a un extrem i dins del qual llisca un pistó molt ajustat a l'interior, garantint-ne l'estanquitat delsaros o segments. La posició cap a dins (punt mort superior) i cap a fora (punt mort inferior) del pistó modifica el volum que existeix entre la cara interior del pistó i les parets de la cambra. El pistó està unit mitjançant un eix a labiela i aquesta alcigonyal, que converteix el moviment lineal del pistó en moviment circular.
En els motors de diversos cilindres elcigonyal té diversos colzes (munyequilles enargot) on van connectades les bieles de cada cilindre (menys en els motors en estrella), de manera que l'energia produïda per cada cilindre s'aplica al cigonyal en un punt determinat de la rotació. Els cigonyals estan dotats de pesantsvolants icontrapesos, la inèrcia dels quals redueix la irregularitat del moviment de l'eix. Un motor pot tenir d'1 a 28 cilindres.
Tot motor actual, pel seu funcionament, necessita sistemes de bombament per la provisió de combustible i el greixat. El sistema de bombament de combustible d'un motor de combustió interna consta d'un dipòsit, unabomba de combustible i un dispositiu que vaporitza o atomitza el combustible líquid. S'anomenacarburador el dispositiu utilitzat per a aquest fi en els motors Otto. En els motors de diversos cilindres el combustible vaporitzat es condueix als cilindres mitjançant un tub ramificat anomenatcol·lector d'admissió. Molts motors disposen d'uncol·lector d'escapament o d'expulsió, que transporta els gasos produïts en la combustió.
En els motors de cicle dièsel l'encarregada del transport i distribució/dosificació, és la bomba injectora, encara que avui en dia i han altres sistemes (Common rail).
Cada cilindre pren el combustible i expulsa els gasos per vàlvules de capçal o vàlvules lliscants. Una molla manté tancades les vàlvules fins que s'obren en el moment adequat, quan actuen les lleves d'unarbre de lleves rotatori mogut pel cigonyal i tot el conjunt el coordina lacorretja de distribució. En la dècada de 1980, aquest sistema d'alimentació d'una barreja d'aire i combustible s'ha vist desplaçat per altres sistemes més elaborats ja utilitzats en els motors dièsel. Aquests sistemes, controlats per computadora, augmenten l'estalvi de combustible i redueixen l'emissió de gasos tòxics.
L'alimentació dels cilindres de combustió pot modificar-se segons paràmetres físics com ara augmentant la pressió de l'aire o de la mescla que entra per la vàlvula d'admissió. Aquesta pràctica s'anomenasobrealimentació.
Tapa del distribuïdor.Aquesta peça forma part de l'antic sistema electromecànic d'encesa dels motors Otto.
Tots els motors han de disposar d'una forma d'iniciar la ignició del combustible dins del cilindre. Per exemple, en el sistema d'ignició dels motors Otto, existeix un component anomenatbobina d'encesa, el qual és un auto-transformador d'alt voltatge al qual es connecta un commutador que interromp el corrent del primari perquè s'indueixi la guspira d'alt voltatge en el secundari. Aquestes guspires estan sincronitzades amb l'etapa de compressió de cadascun dels cilindres, la guspira és dirigida al cilindre específic de la seqüència utilitzant un distribuïdor rotatiu i uns cables de grafit[2] que dirigeixen la descàrrega d'alt voltatge a labugia. El dispositiu que produeix la ignició és labugia, un conductor fixat a la paret de cada cilindre.
Si la bobina està en mal estat se sobreescalfa; això produeix una pèrdua d'energia, disminueix la guspira de les bugies i causa fallades en el sistema d'encesa de l'automòbil.
La bugia conté en un dels seus extrems dos elèctrodes separats entre els que el corrent d'alt voltatge produeix un arc elèctric que encén el combustible dins del cilindre.
L'evolució del sistema d'encesa en motors de cicle Otto va anar paral·lel a la tècnica electrònica de manera que durant el segle XX hom va arribar a substituir el sistema elèctric d'encesa per un sistema electrònic.
En el cicledièsel, l'encesa es produeix per la sobtada elevació de la temperatura de l'aire deguda a l'alta compressió a què se sotmet. Hi ha motors que porten les mal anomenades bugies d'incandescència per ajudar a la inflamació de la mescla. En realitat són resistències per escalfar la superfície de la cambra de combustió.
Com que la combustió produeix calor, tots els motors cal que disposin d'algun tipus de sistema de refrigeració. Alguns motors estacionaris d'automòbils i d'avions i els motors deforabord es refrigeren amb aire. Els cilindres dels motors que utilitzen aquest sistema disposen a l'exterior d'un conjunt de làmines de metall que emeten la calor produïda dins del cilindre. En altres motors s'usa refrigeració per aigua, cosa que implica que els cilindres es troben dins d'una carcassa plena d'aigua que en els automòbils es fa circular mitjançant una bomba. L'aigua es refrigera quan passa pels conductes d'un radiador. És important que el líquid que s'usa per refredar el motor no sigui aigua comuna i corrent perquè els motors de combustió treballen regularment a temperatures més altes que la temperatura d'ebullició de l'aigua, això provoca una alta pressió en el sistema de refredament i causa fallades en les estopades i segells d'aigua així com en el radiador. S'usa un líquid amb additius anticongelants perquè no es congeli a la mateixa temperatura que l'aigua, sinó a molt més baixa temperatura.
Una altra raó per la qual cal usar líquid amb additius és que l'acció dels antiprecipitants i antincrustants minva la precipitació desals minerals,sutge isediments que s'hi adhereixen a les parets dels conductes i bomba del sistema de refrigeració formant una capa aïllant que disminuirà la capacitat detransmissió tèrmica del sistema. En alguns motors navals senzills s'utilitzaaigua del mar per a la refrigeració en circuit obert.
Al contrari que els motors i les turbines de vapor, els motors de combustió interna no produeixen un parell de forces quan arrenquen (vegeuMoment de força), cosa que implica que cal provocar el moviment del cigonyal perquè es pugui iniciar el cicle. Els motors d'automoció utilitzen unmotor elèctric (elmotor d'arrencada) connectat al cigonyal per unembragatge automàtic que es desacobla quan arrenca el motor. D'altra banda, alguns motors petits s'arrenquen a mà girant el cigonyal amb una cadena o estirant una corda que s'enrotlla al voltant del volant del cigonyal. Altres sistemes encesa de motors són els iniciadors d'inèrcia, que acceleren el volant manualment o amb un motor elèctric fins que té la velocitat suficient per moure el cigonyal; els iniciadors explosius, que utilitzen l'explosió d'un cartutx per moure una turbina acoblada al motor; oxigen per alimentar les cambres de combustió en els primers moviments (grans motores). Els iniciadors d'inèrcia i els explosius s'utilitzen sobretot per arrencar motors d'avions.
Motor de 4 temps de tipus constructiu i termodinàmic "Otto".
El combustible s'injecta polvoritzat i barrejat amb gas (habitualment aire o oxigen) dins d'un cilindre. La combustió total d'1 gram de gasolina es realitzaria teòricament amb 14,8 grams d'aire però com que és impossible realitzar una mescla perfectament homogènia d'ambdós elements se sol introduir un 10% més d'aire del necessari (relació en pes 1/16).
El motor convencional del tipus Otto és dequatre temps. L'eficiència dels motors Otto moderns es veu limitada per diversos factors, entre altres la pèrdua d'energia per lafricció i la refrigeració.
En general, l'eficiència d'un motor d'aquest tipus depèn delgrau de compressió. Aquesta proporció sol ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la majoria dels motors Otto moderns. Es poden utilitzar proporcions majors, com de 12 a 1, augmentant així l'eficiència del motor, però aquest disseny requereix la utilització de combustibles d'altíndex d'octà.
Una vegada dins del cilindre la mescla és comprimida. En arribar al punt de màxima compressió (punt mort superior o P.M.S.) es fa saltar una espurna, produïda per unabugia, que genera l'explosió del combustible. Els gasos tancats en el cilindre s'expandeixen empenyent un pistó que rellisca dins el cilindre (expansió teòricament adiabàtica dels gasos). L'energia alliberada en aquesta explosió és doncs transformada en moviment lineal del pistó, el qual, a través d'unabiela i elcigonyal, és convertit en moviment giratori. La inèrcia d'aquest moviment giratori fa que el motor no es pari i que el pistó torni a empènyer el gas, expulsant-lo per la vàlvula corresponent, ara oberta. Per acabar el pistó retrocedeix de nou permetent l'entrada d'una nova mescla de combustible.
L'eficiència mitjana d'un bon motor Otto és d'un 20 a un 25%: solament la quarta part de l'energia calorífica generada en la combustió es transforma en energia mecànica.
En teoria, el cicle dièsel difereix del cicle Otto en què la combustió té lloc en aquest últim a volum constant en lloc de produir-se a una pressió constant. La majoria dels motors dièsel tenen també quatre temps, si bé les fases són diferents de les dels motors de gasolina.
En la primera fase s'absorbeix aire cap a la cambra de combustió. En la segona fase, la fase de compressió, l'aire es comprimeix a una fracció del seu volum original, la qual cosa fa que s'escalfi fins a uns 440 °C. Al final de la fase de compressió s'injecta el combustible vaporitzat dins de la cambra de combustió, produint-se l'encesa a causa de l'alta temperatura de l'aire. En la tercera fase, la fase de potència, la combustió empeny el pistó cap enrere, transmetent l'energia al cigonyal. La quarta fase és, igual que en els motors Otto, la fase d'expulsió.
Alguns motors dièsel utilitzen un sistema auxiliar d'ignició per encendre el combustible per arrencar el motor i mentre arriba a la temperatura adequada.
L'eficiència dels motors dièsel depèn, en general, dels mateixos factors que els motors Otto, i és major que en els motors de gasolina, arribant a superar el 40%. Aquest valor s'aconsegueix amb un grau de compressió de 14 a 1, essent necessària una major robustesa, i els motors dièsel són, generalment, més pesants que els motors Otto. Aquest desavantatge ja es compensa amb una major eficiència i el fet d'utilitzar combustibles més barats.
Els motors dièsel solen ser motors lents amb velocitats de cigonyal de 100 a 750 revolucions per minut (rpm o r/min), mentre que els motors Otto treballen de 2.500 a 5.000 rpm. Això no obstant, ara com ara, alguns tipus de motors dièsel treballen a velocitats similars que els motors de gasolina, però generalment amb majors cilindrades a causa del baix rendiment del gas-oil respecte a la gasolina.
Motor semidiesel. 1 Precambra de combustió. 2 Cilindre. 3 Pistó. 4 Càrter
Dit també de culata calenta. És un motor amb cicle dièsel però de dos temps, és a dir que el cilindre té forats (espiralls), en el qual l'escombratge dels gasos cremats i el reomplert del cilindre, es fa amb aire comprimit, ja sigui per precompressió en elcàrter (motor monocilíndric) o des d'un dipòsit exterior que també serveix per al seu llançament. Acostuma a ser un motor lent, es feia servir en instal·lacions fixes, vaixells, etc. En motors pluricilíndrics un dels pistons és un compressor per l'aire d'escombratge.
Antigament el fabricaven empreses com ABC, Heinz i l'utilitzava el tractor Lanz. També hi havia moltes fàbriques en els països escandinaus, una de les més destacades era Bolinder.
Motor Jumo 205
Actualment hi ha la renaixença del motor dos temps de pistons oposats, que ja s'habíen utilitzat en aviació Junkers Jumo 205-207, e inclòs s'havia fabricat a Barcelona el CETA Z-5116 o inclòs el novissim INnegine...
Amb un disseny adequat pot aconseguir-se que un motor Otto o dièsel funcioni a dos temps, amb un temps de potència cada dues fases en lloc de cada quatre fases. L'eficiència d'aquest tipus de motors és menor que la dels motors de quatre temps, però com que es necessita només dos temps per a realitzar un cicle complet, produeixen més potència que un motor quatre temps de la mateixa mida (cilindrada) i que funcioni a la mateixa velocitat de rotació del cigonyal.
El principi general del motor de dos temps és la reducció de la duració dels períodes d'absorció de combustible i d'expulsió de gasos a una part mínima d'un dels temps, en lloc que cada operació requereixi un temps complet. El disseny més simple de motor de dos temps utilitza, en lloc de vàlvules de capçal, vàlvules lliscants o forats (que queden obertes en desplaçar-se el pistó cap enrere). En els motors de dos temps la mescla de combustible i aire entra en el cilindre a través de l'orifici d'aspiració quan el pistó està en la posició més propera al punt mort inferior perquè ha estat prèviament precomprimit. La primera fase és la compressió, en la qual s'encén la càrrega de mescla quan el pistó arriba al final de la fase. A continuació, el pistó es desplaça cap enrere en la fase d'explosió, poc abans d'arribar al punt mort inferior s'obre l'orifici d'expulsió i permetent que els gasos surtin de la cambra.
A ladècada del 1950, l'enginyer alemanyFelix Wankel va completar el desenvolupament d'un motor de combustió interna amb un disseny revolucionari, actualment conegut com a Motor Wankel. Utilitza un rotor triangular-lobular dins d'una cambra ovalada, en lloc d'un pistó i un cilindre.
La mescla de combustible i aire és absorbida a través d'un orifici d'aspiració i queda atrapada entre una de les cares del rotor i la paret de la cambra. La rotació del rotor comprimeix la mescla, que s'encén amb una bugia. Els gasos s'expulsen a través d'un orifici d'expulsió amb el moviment del rotor. El cicle es desenvolupa una vegada en cada una de les cares del rotor i produeix tres fases de potència en cada gir.
El motor de Wankel és compacte i lleuger en comparació amb els motors de pistons, per la qual cosa va guanyar importància durant la crisi del petroli en les dècades del1970 i del1980. A més, funciona gairebé sense vibracions i la seva senzillesa mecànica permet una fabricació barata. No requereix molta refrigeració, i el seu centre de gravetat baix augmenta la seguretat en la conducció. No obstant tret alguns exemples pràctics com alguns vehiclesMazda, ha tingut problemes de durabilitat.
Una variant del motor d'encesa amb bugies és el motor de càrrega estratificada, dissenyat per reduir les emissions sense necessitat d'un sistema de recirculació dels gasos resultants de la combustió i sense utilitzar uncatalitzador. La clau d'aquest disseny és una cambra de combustió doble dins de cada cilindre, amb una avantcambra que conté una barreja rica de combustible i aire mentre la cambra principal conté una barreja pobra. La bugia encén la barreja rica, que a la vegada encén la de la cambra principal. La temperatura màxima que s'assoleix és suficient per impedir la formació d'òxids de nitrogen, mentre que la temperatura mitjana és la suficient per limitar les emissions de monòxid de carboni i hidrocarburs.
Aquest sistema aconsegueix empaquetar un cicle de treball a cada dos curses de l'èmbol (amunt i avall). Això s'aconsegueix expulsant els gasos i admetent barreja fresca al cilindre simultàniament.
Els passos són:
Admissió i expulsió es produeixen al voltant del punt mort inferior. Cal que la barreja d'admissió tingui una sobre pressió, això s'aconsegueix precomprimint-la al carter o amb un compressor auxiliar.
Cursa de compressió: La barreja de combustible i aire es comprimeix i salta la guspira d'ignició. En cas de Dièsel: Es comprimeix l'aire, s'injecta el combustible i es produeix l'explosió. La combustió genera calor que provoca un augment de la pressió i la temperatura.
Cursa d'expansió: El pistó és empès pels gasos calents a alta pressió.
Diagrama de Pressió/volum del cicle Otto ideal que mostra que l'entrada de calor de combustió Qp i la sortida de calor de l'expulsió Qo, la cursa d'expansió és la línia corba de dalt, la de baix és la cursa de compressió. L'àrea tancada dins del diagrama representa el treball mecànic net generat durant un cicle de quatre temps termodinàmics.
Els motors basats en quatre temps ("Cicle d'Otto") tenen una cursa d'expansió que genera energia mecànica per cada quatre curses (amunt-avall-amunt-avall) i empren ignició per bugia. La combustió ocorre ràpidament, i durant la combustió el volum varia poc ("volum constant").[3] es fan servir en cotxes, vaixells, algunes motocicletes, i moltes avionetes. Són generalment més silenciosos, més eficients, i més grans que els seus homòlegs de dos temps.
Els temps són:
Cursa d'admissió: S'aspiren aire i combustible vaporitzat.
Cursa de compressió: La barreja d'aire i combustible es comprimeixen. Al final de la cursa la bugia provoca una guspira que inicia la combustió. La combustió es produeix en un temps relativament petit comparat amb el desplaçament del pistó, en el cicle ideal se suposa que la introducció de la calor de combustió es produeix a volum constant en el punt mort superior. La calor de combustió provoca l'augment de pressió i temperatura.
Cursa d'expansió: Els gasos de la combustió s'expandeixen empenyent el pistó i generant energia mecànica. Com que la pressió és superior a la de compressió l'energia generada és superior a la que prèviament s'havia consumit per comprimir la barreja proporcionant un balanç net positiu.
Cursa d'expulsió: S'obre la vàlvula d'escapament i el pistó puja cap al punt mort superior expulsant els gasos.
Durant les curses 1a, 2a i 4a el pistó consumeix part de la potència que es genera a la cursa 3a. En els motors d'un únic cilindre part de l'energia s'emmagatzema en un volant d'inèrcia que garanteix el gir en aquestes curses. En els motors de diversos cilindres a més d'emmagatzemar part de l'energia en forma d'energia cinètica, es van provocant de forma progressiva les combustions en els diferents cilindres de forma que s'obté un funcionament més suau.
Diagrama P-v del cicle dièsel ideal. El cicle segueix les curses 1-4 en direcció de les agulles del rellotge.
La majoria dels motors de camions i automòbils utilitzen un cicle de quatre curses, però amb un sistema d'ignició per compressió en comptes de necessitar un sistema d'ignició separat. Aquesta variació s'anomena el cicle de dièsel. En el cicle de dièsel, el gasoli s'injecta directament al cilindre de manera que la combustió es produeix a pressió constant, mentre l'èmbol es mou, a diferència del cicle Otto en que l'èmbol està essencialment immòbil.
Els motors de sis temps fa servir la calor malgastada del cicle d'Otto de quatre temps per generar vapor, que simultàniament refreda el motor mentre i proporciona un cop cursa de potència afegida. Això elimina la necessitat d'un sistema de refrigeració i fa més lleuger el motor i al mateix temps pot arribar a generar un 40% d'augment d'eficiència respecte del Cicle Otto.
Una turbina de gas és una màquina rotativa d'alguna manera similar en principi a una turbina de vapor i consta de tres components principals: un compressor, una cambra de combustió, i una turbina. L'aire després de ser comprimit al compressor s'escalfa cremant-hi combustible, això escalfa i expandeix l'aire, i aquesta energia extra se cedeix a la turbina que arrossega el compressor i tanca el cicle mentre que lliura l'excedent d'energia a l'eix del motor.
Els motors de cicle de turbina de gas empren un sistema de combustió continu on la compressió, combustió, i expansió ocorren simultàniament en llocs diferents generant energia contínuament. La combustió té lloc a pressió constant, a diferència del cicle Otto que és a volum pràcticament constant.
Un motor amb sobrealimentació utilitza uncompressor per augmentar la massa d'aire (dièsel) o de mescla aire/gasolina (motor de gasolina) que entra al cilindre en la fase d'admissió, augmentant-ne la sevapressió en elmotor de combustió interna alternatiu, per augmentar la força de la carrera de treball, és a dir elparell motor en cada revolució i, per tant, lapotència. La sobrepressió en el conducte d'admissió s'aconsegueix a través de bombes que augmenten la pressió del fluid atmosfèric. Les bombes poden ser de diversos tipus i consumir energia mecànica de diversos mecanismes.
Radiador intercooler
En els motors d'aviació, quan s'augmentava l'alçaria, s'observava una caiguda de rendiment, per la manca d'oxigen, i per això es va utilitzar la sobrealimentació. Posteriorment passaria a utilitzar-se aquest sistema en els automòbils esportius.
Dos compressors d'inducció forçada d'ús comú sónturbocompressors i supercarregadors. Un turbocompressor és un compressor centrífug accionat pel flux de gasos d'escapament del motor. Els supercarregadors utilitzen diversos tipus diferents de compressors però estan alimentats directament per la rotació del motor, en general a través d'una transmissió per corretja. El compressor pot ser centrífug o de compressió per desplaçament positiu.
Turbocompressor seccionat. A esquerra i dreta, sengles turbines, cadascuna per un tipus de fluid: Gasos d'admissió i gasos d'escapament.
El turbocompressor, que aprofita els gasos d'escapament per arrossegar elcompressor, pot augmentar la potència a l'eix fins a un 25%. Per les lleis de latermodinàmica, en augmentar la pressió, augmenta la temperatura, i per això si refredem aquests gassos comprimits, podrem augmentar la quantitat d'aire que es pot introduir en els cilindres (efecteintercooler) que pot augmentar la potència fins al 50%.
Una vegada encesa i cremada la barreja, elsgasos calents resultants de lacombustió tenen mésenergia tèrmica disponible que la mescla d'aire i combustible comprimida original (que tenia mésenergia química). L'energia disponible es manifesta en més altatemperatura ipressió que es pot transformar entreball mecànic pel motor. En un motor alternatiu, els gasos a alta pressió dins dels cilindres mouen els èmbols del motor.
Una vegada que s'ha extret l'energia disponible, els gasos calents restants s'expulsen (sovint obrint unavàlvula) i això permet que l'èmbol retorni a la seva posició prèvia (punt mort superior). Llavors l'èmbol pot continuar a la propera fase del seu cicle, que varia entre motors. Tot elcalor que no es transforma en treball normalment es considera una pèrdua i s'extreu del motor amb un sistema de refrigeració per aire o per líquid.
Es pot parlar de rendiment del motors de diverses maneres però normalment implica una comparació de l'energia química total en els combustibles i l'energia útil extreta dels combustibles en la forma d'energia cinètica. L'enfocament més fonamental i abstracta de rendiment dels motors és el límit termodinàmic per extraure energia del combustible definit per uncicle termodinàmic. L'enfocament més complet és elrendiment de combustible empíric del sistema complet del motor per acomplir una tasca desitjada; per exemple, elslitres per quilòmetre consumits.
Els motors de combustió interna són principalmentmotors tèrmics i com a tals el fenomen que limita el seu rendiment ve descrit pels cicles termodinàmics. Cap d'aquests cicles no excedeix el límit definit pelCicle de Carnot que estableix que el rendiment global ve imposat per la diferència entre les temperatures màxima i mínima d'operació del motor. En un motor la temperatura màxima normalment i fonamentalment està limitada per l'estabilitat tèrmica del material utilitzat per constituir el motor. Tots elsmetalls ialiatges acaben fonent-se o descomponent-se i hi ha significatius treballs de recerca per emprar materialsceràmics que poden proporcionat alta estabilitat tèrmica i propietats estructurals desitjables. L'estabilitat tèrmica més alta permet que la diferència de temperatura sigui més gran i, per tant, que el rendiment termodinàmic també sigui més gran.
Els límits termodinàmics suposen que el motor està operant en condicions ideals: un món sense fricció, gasos ideals, aïllants perfectes, i operació a temps infinit. El món real és substancialment més complex i totes les complexitats redueixen el rendiment. A més a més, els motors reals treballen millor en càrregues específiques descrites per la sevacorba de potència. Per exemple, un cotxe que circula per una autopista a velocitat constant normalment està operant significativament per sota de la seva càrrega ideal, perquè el motor està dissenyat per les càrregues més altes necessàries per l'acceleració ràpida.
La majoria dels motors fets d'acer tenen un límit termodinàmic d'un 37%. Fins i tot afegint turbocompressors i elements de millora d'eficiència, la majoria dels motors acaben amb un rendiment mitjà al voltant del 18%-20%.[4][5] Els motors dels coets són millors, fins a un 70%, perquè efectuen la combustió a temperatures i pressions molt altes i poden tenir relacions d'expansió molt altes.[6]
Hi ha molts invents dedicats a augmentar el rendiment dels motors de combustió interna. En general, els motors pràctics sempre acaben amb un compromís entre diferents propietats com rendiment, pes, potència, calor, resposta, emissions del tub d'escapament, o soroll. A vegades l'economia també té un paper no només en el cost de fabricar el motor mateix, sinó també de preparar i distribuir el combustible. Augmentar el rendiment dels motors és una millora econòmica en combustible només si el cost del combustible per contingut d'energia és el mateix.
Tipus de combustibles utilitzats en els motors d'explosió
Labenzina, la qual s'obté mitjançant la destil·lació fraccionada del petroli, va ser descoberta el 1857. Més endavant, el 1860,Jean Joseph Etienne Lenoir va crear el primer de motor combustió interna cremant gas dins del cilindre.[7] Però s'hauria d'esperar fins a 1876 perquèNikolaus August Otto construís el primer motor de benzina de la història, de quatre temps, que va ser la base per a tots els motors posteriors de combustió interna; el 1885Karl Benz començà a utilitzar motors de benzina en els seus primers prototips d'automòbils. Al seglexxi alguns motors d'explosió poden funcionar també ambetanol,gas natural comprimit,gas licuat de petroli i/ohidrogen, a més de benzina.
Els motors de combustió interna produeixen emissions a l'atmosfera contaminants, a causa de la combustió incompleta dels hidrocarburs del combustible. Els principals derivats del procés de combustió són el diòxid de carboni CO₂, l'aigua i fum format per partícules sòlides en suspensió. Els efectes de respirar les partícules s'han estudiat en humans i animals i inclouen asma, càncer de pulmó, accidents cardiovasculars, i mort prematura. Hi ha tanmateix alguns productes addicionals del procés de combustió que inclouenòxids de nitrogen isofre i alguns hidrocarburs no cremats, depenent de les condicions d'operació i la proporció d'aire a combustible.
No tot el combustible es consumirà completament en el procés de combustió; una petita quantitat de combustible estarà present després de la combustió, part de la qual pot reaccionar per formar compostos oxigenats, comformaldehid oacetaldehid, o hidrocarburs no presents en la mescla inicial de combustible. La causa principal d'això és la necessitat d'operar a prop de la proporcióestequiomètrica en motors de gasolina per aconseguir la combustió i la propagació de la flama fins al costat de les parets del cilindre relativament fredes evitant que la flama s'apagui abans, altrament el combustible podria cremar més completament en excés aire. En operar a velocitats baixes, l'apagament prematur de la flama s'observa comunament en motors dièsel (ignició per compressió) que funcionen amb gas natural. L'apagament prematur de la flama redueix l'eficiència i augmenta la vibració, a vegades provoca que el motor s'aturi. Augmentant la quantitat d'aire al motor es redueix la quantitat dels dos primers contaminants, però es tendeix a fomentar que l'oxigen i el nitrogen de l'aire es combinin per produiròxids de nitrogen (NOx) que s'ha demostrat que són perillosos per la salut tant de les plantes com dels animals. Els altres productes químics alliberats sónbenzè i1,3-butadiè que també són especialment nocius; i no tot el combustible es crema completament, així que també es produeixmonòxid de carboni (CO).
Els combustibles d'hidrocarburs contenen sofre i impureses que finalment porten a produiròxid de sofre (SO) idiòxid de sofre (SO₂) al tub d'escapament que provoquen la pluja àcida. Un element final en la contaminació emesa és l'ozó (O₃). Aquest no s'emet directament sinó que es genera a l'aire per l'acció de la llum solar sobre els altres contaminants per formar "ozó a nivell de terra", que, a diferència de la "capa d'ozó" en l'atmosfera alta, és considerat com perjudicial si els nivells són alts. L'ozó és descompost per òxids de nitrògens, així un tendeix a ser més baix on l'altre contaminant és més alt.
Per als contaminants descrits a dalt (òxids de nitrogen, monòxid de carboni, diòxid de sofre, i ozó) hi ha nivells acceptables que s'estableixen per la legislació per als quals no s'ha observat cap efecte nociu fins i tot en grups de població sensibles. Per als altres tres: benzè, 1,3-butadiè, i partícules, no hi ha cap manera de demostrar que siguin segurs a cap nivell així que els experts estableixen estàndards on el risc per la salut és "extremadament petit".
Finalment, els motors de combustió interna fan contribucions significatives a la contaminació acústica. Els automòbils i camions circulant per autopistes i carrers produeixen soroll, com també ho fan els vols dels avions a causa dels reactors, particularment els avions supersònics. Els motors de coets creen el soroll més intens.
Singer, Charles Joseph; Raper, Richard,A History of Technology: The Internal Combustion Engine, edited by Charles Singer ... [et al.], Clarendon Press, 1954-1978. p. 157–176«proxy.bib.uottawa.ca:2398».[Enllaç no actiu]
Hardenberg, Horst O.,The Middle Ages of the Internal combustion Engine, Society of Automotive Engineers (SAE), 1999
