Màquines térmiques
Les màquines térmiques són les que tranformen l'energia térmica en energia mecànica o a l'inrevés.
Un motor tèrmic és una màquina motriu que transforma l'energia térmica o la calor en energia mecànica.
Podem classificar les màquines de la següent manera:
En les màquines térmiques de combustió externa el combustible es crema fora de la màquina i s'aprofita la calor despesa per escalfar i vaporitzar aigua.
En les màquines de combustió interna el combustible es crema a l'interior de la màquina i són els gasos produïts en la combustió els encarregats de produir el treball motriu.
Màquines tèrmiques de combustió externa
La màquina de vapor alternativa
Història
Heró va construir la primera màquina de vapor de la història, l'eolípila. Aquesta màquina consistia en un recipient omplert parcialment d'aigua, que estava situat a la part inferior i connectat a través d'uns tubs a una esfera buida, que, alhora, era suportada per aquests. L'esfera duia dos petits tubs de fuita enfrontats i perpendiculars a l'eix de suport. en escalfar-se l'aigua del recipient inferior, es produïa vapor, que pujava a l'esfera i sortia pels tubs de fuita, amb la qual cosa la feia girar.
Aquesta màquina va tenir una escasa aplicació, però va ser la precursora de les màquines de vapor.
Va ser al final del segle XVII, quan Denis Papin va inventar la seva marmita (olla a pressió), quan es va començar a desenvolupar seriosament l'energia del vapor. La marmita de Papin era un cilindre vertical amb un pistó que pujava per la pressió del vapor produït en fer bullir aigua dins del cilindre. En refredrar-se, el pistó baixava. Aquesta màquina tenia un funcionament molt lent, però va servir a altres inventors, com l'anglès Thomas Newcomen, per dissenyar i perfeccionar noves màquines de vapor.
Thomas Newcomen, va construir un cilindre de llautó dins del qual es movia un pistó, que hi duia enrotllat al voltant fil de cànem per tal d'evitar les fuites de vapor. El cilindre es refredava amb aigua freda, la qual cosa accelerava el funcionament de la màquina. aquesta màquina, que esva utilitzar per moure bombes hidràuliques per al drenatge de l'aigua a les mines, va ser el primer exemple d'ús industrial del vapor.
James Watt es va adonar que la màquina de Newcomen desaprofitava una gran quantitat de calor, atès que el cilindre s'havia d'escalfar i refredar contínuament. Per no haver d'escalfar i refredar el cilindre, Watt va construir una màquina de vapor amb un condensador independent, i una bomba per exterure'n l'aire.
Funcionament
Les màquines de vapor estaven formades pels següents elements:
- La Caldera.
- El Cilindre amb distribuïdor.
- El Regulador.
Per produir el vapor, a la caldera es cremava el combustible. El més utilitzat va ser el carbó. L'aigua passava per unes canonades situats a l'interior de la caldera on , per efecte de les altes temperatures que hi havia, es transformava en vapor. Aquest vapor adquiria una pressió molt elevada es feia arribar al cilindre.
A la caldera, a més de produir-se el vapor, es produien altres productes; els residus de la combustió. Els fums es llençaven a l'atmosfera a través de les xemeneies i les cendres s'havien d'eliminar de tant en tant. Per això calia aturar la caldera. Algunes màquines tenien doble caldera per no tenir que aturar la màquina en cas de retirar les cendres.
El Cilindre i el distribuïdor
El vapor produït a la caldera era introduït en el cilindre per un dels extrems. L'alta pressió del vapor empenyia el pistó desplaçant-lo al llarg del cilindre, des del PMS fins al PMI. Quan el pistó arribava al PMI, el vapor s'introduïa per l'altre extrem del cilindre i el forçava a desplaçar-se en sentit contrari. El pistó anava unit a un conjunt biela-manovella que transformava el seu moviment rectilini alternatiu en circular uniforme.
El mecanisme encarregat de fer entrar el vapor a l'interior del cilindre, alternativament per un extrem o per l'altre, era el distribuïdor. El vapor que sortia del cilindre, un cop havia fet el treball, era expulsat a l'atmosfera per la xemeneia, en el cas de les locomotores, o es condensava per tornar-lo a introduir a la caldera, en el cas de les instal·lacions fixes.
El distribuïdor s'anomenava de doble efecte, perquè introduïa el vapor pels dos extrems del cilindre alternativament. També hi havia màquines de simple efecte, en les quals el vapor només s'introduïa per un extrem i el pistó tornava a la posició original gràcies al moviment d'un element anomenat volant d'inèrcia.
El regulador
Quan a la màquina se li demanava un gran esforç, la freqüència de rotació de l'arbre motriu disminuïa. En canvi quan la màquina funcionava sense càrrega, n'augmentava la velocitat. Per aconseguir una freqüència de rotació constant amb qualsevol règim de treball, s'utilitzava un mecanisme anomenat regulador centrífug o regulador de Watt.
El regulador consistia en un eix que giravaa una velocitat proporcional a la del eix principal de la màquina. A aquest eix s'acoblaven dues boles metàl·liques pesants. Quan la màquina accelerava la força centrífuga feia enlairar les boles. Aquest desplaçament feia tancar una vàlvula d'accés del vapor al cilindre, la qual cosa provocava una disminució de la velocitat de la màquina. Quan les boles baixaven, la vàlvula de vapor tornava a obrir-se i la màquina tornava a accelerar.
El Cilindre i el distribuïdor
El vapor produït a la caldera era introduït en el cilindre per un dels extrems. L'alta pressió del vapor empenyia el pistó desplaçant-lo al llarg del cilindre, des del PMS fins al PMI. Quan el pistó arribava al PMI, el vapor s'introduïa per l'altre extrem del cilindre i el forçava a desplaçar-se en sentit contrari. El pistó anava unit a un conjunt biela-manovella que transformava el seu moviment rectilini alternatiu en circular uniforme.
El mecanisme encarregat de fer entrar el vapor a l'interior del cilindre, alternativament per un extrem o per l'altre, era el distribuïdor. El vapor que sortia del cilindre, un cop havia fet el treball, era expulsat a l'atmosfera per la xemeneia, en el cas de les locomotores, o es condensava per tornar-lo a introduir a la caldera, en el cas de les instal·lacions fixes.
El distribuïdor s'anomenava de doble efecte, perquè introduïa el vapor pels dos extrems del cilindre alternativament. També hi havia màquines de simple efecte, en les quals el vapor només s'introduïa per un extrem i el pistó tornava a la posició original gràcies al moviment d'un element anomenat volant d'inèrcia.
El regulador
Quan a la màquina se li demanava un gran esforç, la freqüència de rotació de l'arbre motriu disminuïa. En canvi quan la màquina funcionava sense càrrega, n'augmentava la velocitat. Per aconseguir una freqüència de rotació constant amb qualsevol règim de treball, s'utilitzava un mecanisme anomenat regulador centrífug o regulador de Watt.
El regulador consistia en un eix que giravaa una velocitat proporcional a la del eix principal de la màquina. A aquest eix s'acoblaven dues boles metàl·liques pesants. Quan la màquina accelerava la força centrífuga feia enlairar les boles. Aquest desplaçament feia tancar una vàlvula d'accés del vapor al cilindre, la qual cosa provocava una disminució de la velocitat de la màquina. Quan les boles baixaven, la vàlvula de vapor tornava a obrir-se i la màquina tornava a accelerar.
Més informació:
La caldera
La màquina de vapor
Vídeo funcionament màquina de vapor
La història del motor
Màquines tèrmiques de combustió interna
Motors d'encesa per guspira o de cicle Otto
El 1876 l'enginyer NiKolaus Otto, va dissenyar un motor de gas amb element molt semblants a la màquina de vapor. El cicle de funcionament d'aquest motor constava de quatre temps diferents i va suposar la base del motor d'explosió de gasolina que després s'aplicaria als automòbils.
Funcionament
1r Temps: admmissió
2n Temps: compressió
3r Temps: explosió
4t Temps: escapament
Dels quatre temps, només el tercer cicle és productiu. Els altres quatre temps consumeixen part de l'energia produïda pel tercer. Actualment els mort disposen de quatre cilindres que es disposen un al costat del altre en línea o bé en forma de V .
Més informació:
Animació 1
El motor de gasolina
Ensamblatge motor
Funcionament motor
Altres parts dels Motors
El carburador
La funció del carburador és subministrar una mescla d'aire i gasolina polvoritzada al motor. El carburador funciona aplicant l'efecte Venturi, de manera semblant a com funcionen els polvoritzadors manuals: la part inferior d'un tub amb un forat molt petit anomenat glicer està submergida dins d'una cubeta amb gasolina, i la part superior és dins de la conducció que es dirigeix a la vàlvula d'admissió. Quan el pistó xucla l'aire per aquesta conducció, del glicer surten gotetes de gasolina que es mesclen amb l'aire: s'ha produït una polvorització o vaporització.
La injecció electrònica
Ara és el mètode d'alimentació més emprat. La gasolina s'introdueix en el canal d'admissió mitjançant uns injectors, això fa que el rendiment que s'obté sigui més alt. Els injector són controlats per un circuit electrònic, de manera que sempre el motor rep la quantitat justa de carburant.
La bujia
El circuit de refrigeració
Les vàlvules
.jpg)
Las vàlvules dels motors de combustió interna són els elements que regulan l'admisió y el escapament dels gasos en la càmara de combustió mitjamçant la variació de la secció de pas.
La lubrificació
Els lubrificants tenen un paper molt important. En el cas dels motors aquests es troben en el càrter. D'aquesta forma s'augmenta el rendiment del motor, es redueix el desgast dels elements i també dissipen la temperatura causada per la fricció dels components.
La lubrificació del motor
Els motors de dos temps
Les motocicletes utilitzen motors d'explosió. les més grans i potents acostument a dur motors de 4T,
Els motors de 2T són més lleugers i més senzills que els de 4T, però funcionen de manera molt similar i utilitzen gasolina mesclada amb oli (entre el 2% i el 4% d'). tot que s'anomenen de dos temps, de fet n'hi ha quatre, però se'n duen a terme dos i dos simultàniament. D'aquets manera l'admissió i la compressió s'efectuen al mateix temps, i a continuació l'explosió i l'escapament també es produeix simultàniament.
Això és posible a unes obertures que hi ha a les parets del cilindre, anomenades espiralls, que substitueixen a les vàlvules, per on entren i surten els gasos.
Funcionament
1r Temps: admmissió i compressió
El pistó es desplaça des del PMI fins al PMS. En aquest moviment cap a la part superior del cilindre,
el pistó tanca l'espirall d'escapament i obre l'espirall d'admissió, per on entra la mescla d'aire, gasolina i oli.
Simultàniament a la cursa ascendent del pistó cap al PMS, s'efectua la compressió dels gasos combustibles que hi havia a l'interior del cilindre i la part superior del pistó, procedents de l'admissió anterior.
2n Temps: explosió i escapament
Els motors de 2T hauren de tenir un rendiment superior a 4T, ja que es produeix una explosió cada volta de cingonyal, enlloc de cada dues, com en el de 4T.
Els motors 2T treballen més revolucionats que els 4T. Tenen una freqüència de rotació superior. Això implica un major desgast dels seus components.
Motors d'encesa per compressió o dièsel
El motor dièsel deu el seu nom a l'enginyer alemany Rudolf Diesel. Basa el seu funcionament en el sistema d'encesa o explosió. Quan un gas es comprimeix, augmenta la seva temperatura. Si a més el gas és combustible i el comprimim fins que arriba a la temperatura de combustió, no farà falta cap guspira per provocar l'explosió.
El motor dièsel també te un cicle de treball de quatre temps:
1r Temps: admissió
Comença quan el pistó està a punt d'arribar al PMS. S'obre la vàlvula d'admissió i el desplaçament del pistó fins a la part inferior del cilindre provoca l'entrada d'aire (sense combustible) al cilindre. Tot seguit es tanca la vàlvula d'admissió.
2n Temps: compressió
Comença tot just després del temps d'admissió. Amb les vàlvules tancades, el pistó, desplaçant-se cap a la part superior del cilindre, comprimeix l'aire. La compressió es forta i ràpida, la qual cosa provoca que la temperatura de l'aire arribi a valors molt elevats.
3r Temps: explosió
Després de la compressió, uns injectors introdueixena presió la dosi de gasoli necessària. En aquest moment, el combustible a causa de l'alta temperatura i pressió que assoleix dins la cambra de combustió, s'inflama, fet que produeix una gran quantitat de gasos que empenyen amb força el pistó cap a la part inferior del cilindre.
4t Temps: escapament
Un cop el pistó ha arribat al PMI, s'obre la vàlvula d'escapament i surten els gasos gràcies al moviment ascendebt del pistó. Quan el pistó arriba a la part superior del cilindre, la vàlvula d'escapament es tanca, s'obre la d'admissió i el cicle torna a començar pel primer temps.
La relació de compressió
La relació de compressió en un motor de combustió interna és el número que permet mesurar la proporció en què s'ha comprimit la mescla d'aire-combustible (Motor Otto) o l'aire (motor Dièsel) dins de la cambra de combustió d'un cilindre.
Es demostra que la relació de compressió defineix el rendiment tèrmic del motor de combustió interna, és a dir el grau d'aprofitament de l'energia del combustible. En els motors de cicle Otto el rendiment augmenta en augmentar la compressió, avantatge l'aplicació es veu limitada per l'encesa espontani de la barreja o Detonació (motors). En els motors de cicle dièsel a causa de la relació de compressió, normalment en un rang doble del motor Otto, el rendiment tèrmicé s més gran per aquest motiu.
Els motors dièsel són més robustos que els de gasolina perquè han de suportar les elevades pressions ocasionades per la gran relació de compressió. Històricamnet s'han utilitzat per a grans vehicles. Actualment, això ha canviat i ara és més freqüent l'ús dels motors dièsel que els de gasolina.
Els motors dièsel no duen bugies ni carburador. Tenen un rendiment superior al de gasolina i un consum inferior. A més el seu combustible, el gasoil, és una mica més econòmic que la gasolina. El desgats que pateixen és menor, ja que treballen a temperatures inferiors als de gasolina.
