Motors tèrmics

Per David Madrid i Victor Ceamanos

Índex

• Classificació motors tèrmics

Segons si el fluid es condensable o no

Segons si la combustió és interna i externa

• Motors de combustió interna

Rotatius: Turbomàquines i volumètrics

Alternatius: encesos per compressió i provocats

Reactius: coets i aeroreactors sense i amb compressor

Els motors es poden classificar segons:

Si el fluid és condensable (aigua) o no condensable (aire). Si el procés és de combustió externa o interna.

Motors de combustió internaEn les màquines de combustió interna, són els gasos de la combustió els quals circulen per la

pròpia màquina. En aquest cas, la màquina serà necessàriament de cicle obert, i el fluid motor serà l’aire (no condensable) emprat com comburent en la combustió.

Motors de combustió externaSi la combustió es externa, el calor de la combustió es transfereix al fluid a través d’una paret, per

exemple en un intercanviador de calor. Aquest tipus de màquines no exigeix un procés de combustió, como suceeïx en les instal·lacions nucleares. Donat que el fluid del motor no sofreix degradació, aquestes màquinas poden ser de ciclo tancat, al que actualment es tendeix per raons

econòmiques.

Classificació dels motors tèrmics

Motors de combustió interna

Motors rotatius

El motor rotatiu va ser un dels primers tipus de motors de combustió interna en el qual el cigonyal roman fix i gira el motor sencer al seu al voltant. El disseny va ser molt usat en els anys anteriors a la Primera Guerra Mundial i durant aquesta per a propulsar avions, i també en alguns de les primeres actuacions i motocicletes.

Una turbina de gas, és una turbomàquina motora, el fluid de la qual de treball és un gas. Com la

compressibilitat dels gasos no pot ser menyspreada, les turbines a gas són

turbomàquines tèrmiques. Comunament es parla de les turbines a gas per separat de les turbines ja

que, encara que funcionen amb substàncies en estat gasós, les seves característiques de disseny

són diferents, i, quan en aquests termes es parla de gasos, no s'espera un possible canvi de fase, en

canvi quan es parla de vapors sí. Les turbines de gas són usades en els cicles de potència com el

cicle Brayton i en alguns cicles de refrigeració .

Turbina de gas

Motors volumètrics

Motor wankel

Un motor rotatiu o Wankel, en honor al seu creador el Dr. Felix Wankel, és un motor de combustió interna que funciona d'una manera completament diferent dels motors alternatius. En un motor alternatiu;en el mateix volum (cilindre) s'efectuen successivament 4 diferents

treballs - admissió, compressió, combustió i escapament. En un motor Wankel es desenvolupen els mateixos 4 temps però en llocs distints de la carcassa o bloc; és a dir, ve a

ser com tenir un cilindre dedicat a cadascun dels temps, amb el pistó movent-se contínuament d'un a altre. Más concretament, el cilindre és una cavitat amb forma de 8, dintre de la qual es troba un pistó triangular que realitza un gir de centre variable. Aquest pistó comunica el seu moviment rotatori a un cigonyal que es troba en el seu interior, i que gira ja amb un centre

únic.

Avantatges

•Menys peces mòbils

•Suavitat de marxa

•Menys velocitat de rotació

•Menys vibracions

•Menys pes

Inconvenients

•Emissions

•Costs de manteniment

•Consum

•Difícil estanqueïtat

•Sincronització

Motors alternatius

Encesos per compressió i provocats (2T i 4T)

Motors dièsel

2Temps El motor de dos temps, és un motor de

combustió interna que realitza les quatre etapes del cicle termodinàmic

(admissió, compressió, expansió i escapament) en dos moviments lineals

del pistó.

Avantantges: lleuger, econòmic i senzill. Marxa regular, el

càrter no emmagatzema lubricant.

Inconvenients: emissions contaminants,menys

rendiment i potència que els 4T

Funcionament

Fase d'admissió-compressió :El pistó es desplaça cap amunt des del seu

punt mort inferior, en el seu recorregut deixa oberta la “lumbrera” d'admissió.

Mentre la cara superior del pistó realitza la compressió en el cilindre, la cara inferior succiona la barreja d’aire-combustible a

través de la “lumbrera”.

Fase de potència-escapament:En arribar el pistó al seu punt mort superior es

finalitza la compressió i es provoca la combustió de la barreja gràcies a una espurna

elèctrica produïda per la bugia. L'expansió dels gasos de combustió impulsa amb força el pistó

que transmet el seu moviment al cigonyal a través de la biela. En el seu recorregut descendent el pistó obre la “lumbrera” d'escapament per expulsar els gasos de

combustió i la “lumbrera” de transferència per la qual la barreja aire-combustible passa del càrter al cilindre. Quan el pistó arriba al punt

inferior, comença a ascendir de nou, es tanca la “lumbrera” de transferència i comença un nou

cicle.

Motor 2-T

Aplicacions

Al ser un motor lleuger i econòmic és molt emprat en aplicacions en las que no és necessària molta potència com per exemple:

•Maquinaria agrícola

•Propulsió ferroviària

•Propulsió marina

•Automòbils i camions

•Vehicles de propulsió a oruga

•Grups generadors d’energia elèctrica (centrals elèctriques i d’emergencia)

•Accionamient industrial (bombes, compresors, etc., especialment d’emergencia)

•Propulsió aérea

Motors d’explosió 4Temps

Explicació de les fases

• Primer temps: admissió El pistó descendeix des del P.M.S. al P.M.I. La vàlvula d'admissió es manté oberta i la d'escapament tancada. Es crea en el cilindre un buit o aspiració, que permet que s'ompli de barreja d'aire i gasolina en forma de gas.

• Segon temps: compressió El pistó ascendeix del P.M.I. al P.M.S. Les dues vàlvules estan tancades. Els gasos es comprimeixen fins a deixar reduït el seu volum al de la càmera de compressió, adquirint una pressió i una temperatura ideal per a produir l'explosió.

• Tercer temps: explosió Salta una espurna en la bugia, s'inflamen els gasos i apareix un considerable augment de pressió, rebent el pistó un gran esforç que li fa descendir enèrgicament des del P.M.S. al P.M.I. Les vàlvules, durant aquest temps, s'han mantingut tancades. A aquest temps se li crida temps motor o de treball, doncs en ell s'aconsegueix la força que realment mourà al vehicle. En el moment de cremar-se, la pressió dels gasos arriba a i supera els 45 Kg/cm2. La temperatura d'aquests gasos pot superar els 950º C.

• Quart temps: escapament El pistó ascendeix des del P.M.I. al P.M.S . La vàlvula d'escapament s'obre i l'admissió es manté tancada. Durant aquest temps es produïx l'expulsió dels gasos cremats en l'explosió, deixant lliure el cilindre per a l'admissió d'una nova quantitat de barreja.

Avantatges

• major potència

• millor resposta al accelerar

• millor capacitat al tenir càrregues

• millor utilitat en el mercat

• millor rendimient

Inconvenients

•més consum de combustible

•pieces més cares

•major número de piecesen ocacions difícils de

trobar

AVANTATGES

I

INCONVENIENTS

Motors reactius

Un motor a reacció, reactor o jet, és un tipus de motor que descarrega un fluid a gran velocitat per a generar una embranzida d'acord a la tercera llei de Newton. Aquesta definició generalista del motor a reacció inclou turborreactores, turbofans, coets, estatorreactores i motors d'aigua però,

en el seu ús comú, el terme es refereix generalment a una turbina de gas utilitzada per a produir gasos per a propòsits de propulsió.

Tipus

Coets

Un coet espacial és una màquina que, utilitzant un motor de combustió, produeix l'energia cinètica necessària per a l'expansió dels gasos, que són llançats a través d'un tub propulsor (anomenat propulsió a reacció). Per extensió, el vehicle, generalment espacial, que presenta motor de propulsió d'aquest tipus és denominat coet o míssil. Normalment, el seu objectiu és enviar artefactes (especialment satèl·lits artificials i sondes espacials) o naus espacials i homes a l'espai.

Aeroreactor sense compressió

Estratoreactor

L’estatorreactor és el més senzill dels motors a reacció, ja que no

conté cap peça mòbil, llevat de la bomba de combustible. Aquest està obert per ambdós extrems i només té toberes de combustible en la part central. Els components principals dels estatorreactors des de l'entrada

fins a l'escapi són: el difusor d'entrada la càmera de combustió la

tobera d'escapament.

Pulsoreactor

El seu funcionament depèn d'un flux d'aire que entra a través de les vàlvules situades en la part

frontal del reactor on es barreja amb el combustible que surt d'un conjunt d'injectors situats en el sistema de vàlvules. Una bugia fa

explotar la barreja, fent que la força de l'explosió acceleri els gasos en ambdues adreces la qual

cosa provoca que les vàlvules d'admissió d'aire es tanquin fent que el gas es vegi forçosament obligat a sortir pel tub de sortida de gasos,

produint l'embranzida, i després crea un buit fent que les vàlvules d'admissió tornin a obrir-se per a

posteriorment repetir l'operació.

Aeroreactor amb compressió

Turborreactor

El turborreactor (turbojet en anglès), és un tipus de turbina de gas, que a diferència dels motors de cicle alternatiu que tenen un funcionament discontinu (explosions), té un funcionament

continu. Consta de les mateixes fases que un motor alternatiu: admissió, compressió, expansió i escapi,el turborreactor més potent del món és el Koliesov VD-7MD amb 422kn. Parala fase

de compressió, s'usen compressors axials o centrífugs que comprimeixen grans volums d'aire a una pressió d'entre 4 i 32 atmosferes. Una vegada comprimit l'aire, s'introduïx en les càmeres

de combustió on el combustible és cremat en forma contínua. L'aire a alta pressió i alta temperatura (o sigui, amb més energia que a l'entrada) és dut a la turbina, on s'expandeix

parcialment per a obtenir l'energia que permet moure el compressor (similar al funcionament del turbocompresor que es troba en els automòbils). Després l'aire passa per una tobera, en la

qual és accelerat fins a la pressió de sortida, procés que transforma la pressió en velocitat

Turbofan

Els motors d'aviació tipus turbofan, es pot traduir com turboventilador, són una generació de motors a reacció que va reemplaçar als turborreactors o turbojet. Caracteritzats per disposar un ventilador o fan en la part frontal del motor, l'aire entrant es divideix en dos camins: flux d'aire

primari i flux secundari o flux derivat (bypass) . El flux primari penetra al nucli del motor (compressors i turbines) i el flux secundari es deriva a un conducte anular exterior i concèntric amb el nucli. Els turbofans tenen diversos avantatges respecte als turboreactors: consumeixen menys combustible, el que els fa més econòmics, produeixen menor contaminació i redueixen

el soroll ambiental.

Turbohèlix

El tipus de motor denominat turbohèlix té muntada davant del reactor una hèlix propulsada per una segona turbina, denominada turbina lliure, o per etapes addicionals de la turbina que mou el compressor (tipus eix fix). Al voltant d'un 90 % de l'energia dels gasos expandits s'absorbeix

en la part de la turbina que mou l'hèlix i el 10 % restant s'empra per a accelerar els gasos d'escapament. Això fa que el doll solament suposi una petita part de l'embranzida total. El

turbohèlix més potent del món és el nk-12Dt. produeix 15000HP.