1. Motor Stirling

El motor de Stirling és una màquina tèrmica de combustió externa en què un fluid evoluciona en un sistema tancat entre dues fonts de calor. Busca informació sobre aquest motor i:

El Motor Stirling és un motor tèrmic que genera treball mecànic a partir de la diferència de temperatures entre dues fonts.

L'actual preocupació mediambiental i la l'escassetat de recursos energètics no renovables han fet que s'hagi recuperat aquest motor com a una de les possibles solucions ja que té un bon rendiment.

a) Explica com treballa:

El principi del funcionament del motor Stirling és escalfar i refredar un mitjà de treball, ja sigui aire, heli, hidrogen o fins i tot algun líquid. Quan escalfem el mitjà de treball, aconseguirem que incrementi el seu volum, i s'aprofitarà aquest moviment per desplaçar una part del motor.

Després, refredarem de nou el mitjà de treball, reduint el seu volum i aconseguint que el motor torni a la posició inicial. El motor és hermètic ja que sempre treballarà amb el mateix fluid.

Apliquem calor a la part inferior i fred a la part superior a un recipient hermètic que conté el medi de treball, i un pistó desplaçador, per moure l'aire d'una zona del recipient a una altra. Al aplicar calor a la base del recipient la temperatura de l'aire i la pressió augmenten, movent una superfície elàstica, amb la qual aconseguirem moviment. 

Aquest moviment de la base elàstica es comunicarà a un cigonyal, aquest estarà connectat al pistó, de manera que, al pujar la superfície elàstica el pistó baixi i desplaci el fluid de la part calenta a la part freda, el qual farà que disminueixi el volum i la pressió del medi de treball. Així doncs, la superfície elàstica tornarà al seu estat inicial, completant el recorregut del cigonyal.

b) Compara el seu cicle termodinàmic amb el d’una instal·lació de vapor:

El cicle Stirling ideal consisteix de quatre processos termodinàmics que actuen sobre el fluid de treball:

1-2. Compressió isotèrmica del gas a la temperatura inferior. Durant aquest procés es cedeix a l'exterior una quantitat de calor a la font freda.

2-3. Absorció de calor a volum constant. El gas absorbeix del regenerador una quantitat de calor i augmenta la seva temperatura, el que provoca un augment de pressió.

3-4. Expansió isotèrmica del gas a alta temperatura. Durant aquest procés s'absorbeix calor de la font calenta.

4-1. Cessió d'una quantitat de calor al regenerador a volum constant, disminuïnt la temperatura del fluid.

En una màquina el cicle es recorre en sentit horari perquè el gas produeixi treball. Les transformacions que constitueixen el cicle de Carnot són:

1-2. Expansió isotèrmica: al gas absorbeix una quantitat de calor Q1, mantenint-se a la temperatura del focus calent T1.

2-3. Expansió adiabàtica: el gas es refreda sense pèrdua de calor fins a la temperatura del focus fred T2.

3-4. Compressió isotèrmica: el gas cedeix la calor Q2 al focus fred, sense variar de temperatura.

4-1. Compressió adiabàtica: el gas s'escalfa fins a la temperatura del focus calent T1, tancant el cicle.

Les diferències principals entre aquests dos cicles estan relacionades amb els passos que segueixen els diferents sistemes. Per començar, el sistema Stirling proporciona una compressió isotèrmica per cedir calor cap al medi fred. 

A la màquina de Carnot, generem una expansió isotèrmica d'on absorbim calor, no la cedim com en el cas anterior. Tot seguit, a la màquina Stirling absorbim calor a volum constant, el qual fa augmentar la pressió del gas que posteriorment generarà moviment. 

Com a comparació, al cicle Carnot continuem amb una expansió, però en aquest cas adiabàtica, on el gas es refreda sense perdre calor (sistema aïllat). A la màquina Stirling, el tercer i quart pas fan referencia a l'expansió del gas a alta temperatura per tal d'absorvir calor de la font calenta i tallant el flux de calor resultant al generador per tal de deisminuir la temperatura del fluid i tornar a la posició inicial, així doncs, el procés s'anirà repetint. 

Per contra, els dos últims pasos de la màquina de Carnot, són de compressió on cedim calor sense variar temperatura i seguidament el gas s'escalfa fins arribar a la temperatura de la font calenta on s'acaba el cicle.  

c) Comenta quines són les seves avantatges i inconvenients:

Avantatges:

.L'aportació de calor és externa, pel que les condicions de combustió són variables.

·Funciona amb qualsevol font de calor, no només per combustió. Es pot utilitzar fonts de calor com la solar, geotèrmica, nuclear, etc.

·La majoria dels motors Stirling tenen els mecanismes i juntes en el focus fred, i per tant necessiten menys lubrificació i duren més.

·Els mecanismes són més senzills que en altres màquines alternatives.

·Una màquina Stirling fa servir un fluid de treball d'una única fase, mantenint les pressions internes i per tant es redueixen els riscos d'explosió.

·Tenen un funcionament silenciós

·Arrenquen amb facilitat i funcionen millor amb temperatures fredes, no com els de combustió interna que arrenquen amb problemes en temperatures fredes.

Desavantatges:

·Els motors Stirling són cars ja que generen despeses materials.

·Els motors que funcionen són molt grans en comparació al treball realitzat.

·Un motor Stirling no pot arrencar instantàniament, primer ha d' "escalfar-se".

·Un motor Stirling requereix un disseny acurat i mecanismes addicionals.

·El Hidrogen és el fluid de treball essencial en termes de termodinàmica. Tot i així, presenta problemes al treballar amb metalls. Per això s'usa generalment Heli amb propietats molt semblants, que a més no és inflamable com l'hidrogen. 
L'aire comprimit presenta risc d'explosió per la presència d'Oxigen, pel que l'alternativa és utilitzar Nitrogen.

d) On s’utilitzen aquests motors a l’actualitat?

El motor Stirling és excel·lent per aplicacions de refrigeració, fins i tot ens permet assolir temperatures criogèniques.

Èpoques Recents: Actualment es segueix investigant com a mètode de proveïr energia per a llocs aïllats.

Conversió de l'energia solar en energia elèctrica: S'utilitza per poder convertir l'energia solar en elèctrica. El gran avantatge que ens ofereix, és la generació d'energia distribuïda.

Cogenerador: En aquesta aplicació el motor mou un generador per produir electricitat.

En els Submarins: El motor Stirling és la base de la propulsió d'alguns motors, ja que permet recarregar les bateries a altes profunditats.

Refredadors: Aquests dispositius cedeixen calor al motor perquè generi moviment, i per tant aquest produeixi fred i calor quan se li apliqui un moviment mecànic d'un motor exterior.

2. Comparació motor de 2T ,4T i Dièsel

Explica els cicles d’un motor d’explosió de 4T i dibuixa’n un cicle termodinàmic. Compara aquest motor, a nivel de cicle termodinàmic i d’estructura, combustible… amb:

Un motor d'explosió amb cicle de 4 temps és el mateix que un motor de cicle Otto. Aquest està format per un cilindre, una biela, un cigonyal, almenys dues vàlvules, una bugia i altres subcomponents que fan funcionar el motor. 

Les fases del motor de 4 temps o cicle Otto són:

ADMISSIÓ
A la primera fase, una barreja de gasolina i aire entran a la cambra de combustió del cilindre. Per a això el pistó baixa del punt superior del cilindre a l'inferior, mentre que la vàlvula d'admissió s'obre i deixa entrar la barreja, per tancar-la posteriorment. La gasolina es barreja amb aire ja que per si solano cremaria.

COMPRESSIÓ

A la segona fase, un cop el pistó està a la posició més baixa i la cambra de combustió plena, la vàlvula d'admissió es tanca i deixa la cambra de combustió tancada hermèticament. La inèrcia del cigonyal fa que el pistó torni a pujar i comprimeixi així la barreja.

La gasolina i l'aire es comprimeixen dins de la cambra, llavors les molècules xoquen entre si augmentant la temperatura de la mescla.

COMBUSTIÓ

A la tercera fase, el pistó es troba a la posició més alta i comprimeix la barreja.En aquest moment, la barreja comprimida i a alta temperatura, la bugia genera una guspira que fa explotar violentament aquesta barreja. La combustió mou el pistó cap avall amb força i la biela i el cigonyal s'encarreguen de convertir aquest moviment lineal en moviment circular.

                                                        

ESCAPAMENT
A la quarta i última fase, el pistó es troba a la part més baixa de nou i amb la cambra de combustió plena de gasos cremats.

El pistó torna a pujar i al fer-ho, fa circular aquests gasos perquè surtin per la vàlvula d'escapament que s'obre per tal de deixar-los sortir. Així doncs, amb el pistó de nou a la part superior que es torna a iniciar el cicle de nou des del principi.

a) Un d’explosió de 2T:

Són motors més simples que els de quatre temps i no tenen vàlvules.
L'entrada i sortida de gasos es realitza per uns conductes a les parets del cilindre, descoberts i coberts pel propi pistó. El càrter comunica amb el conducte d'escapament.

Les fases del motor de 2T són les següents:

Primer temps: Quan el pistó està en el punt màxim superior es produeix la inflamació. Aquesta genera una expansió que obre una via d'escapament per on s'escapen els gasos cremats. Quan el pistó baixa, la mescla de combustible es comprimeix al càrter.

Segon temps: Per inèrcia, el pistó puja des del punt màxim inferior fins al punt màxim superior. S'expulsen els últims gasos i acaba la fase d'admissió de la barreja. S'obre el tub d'admissió i entra el fluid al càrter.

En un motor de 2 temps es produeix una explosió per cada volta de cigonyal mentre que en un motor 4 temps es produeix una explosió per cada dos cicles, el que significa que amb la mateixa cilindrada generem més potència, però també consumim més combustible.

Els motors de 2 temps s'han anat substituïnt pels de 4 temps ja que són més contaminants i avui en dia el trobem en ciclomotors i en algunes motos d'enduro o motocross. 
Un motor de 2 temps és més senzill i lleuger que un de 4 temps ja que està compost per menys peces. També són més econòmics alhora de fabricar i requereixen menys manteniment, però al estar quasi sempre tant revolucionat, hi ha un major desgasta les peces.

b) Un de compressió o dièsel:

Un motor de cicle Diesel és un motor que funciona per compressió.

Admissió: El pistó baixa mentre la vàlvula d'admissió està oberta, absorbint aire a pressió constant de l'atmòsfera.

Compressió: Puja el pistó, les vàlvules d'admissió i d'escapament es tanquen i es produeix la compressió de l'aire sense intercanvi de calor.

Combustió: Abans de que el pistó arribi al punt màxim superior i que comenci a baixar, l'injector introdueix gasoil al cilindre i es produeix la combustió a pressió constant. Les dues vàlvules estan tancades.

Expansió: La reacció química exotèrmica produïda a la combustió genera energia que impulsa el pistó cap avall, generant treball al cicle, les vàlvules d'admissió i d'escapament estan tancades.

Escapament: La vàlvula d'escapament s'obre, el pistó segueix el seu moviment ascendent i va expulsant els gasos de la combustió. 

Característiques en relació motor 4T:

-No tenen limitació de temperatura.
-Potència Limitada.            
-Poques RPM.
-Més Seguretat en accidents.
-Resposta d'actuació ràpida.
-Baix cost del seu combustible.
-Risc d'incendi menor.
-Combustió mes continuada.     
-MILLOR Rendiment.

En el model d'un cicle Dièsel, l'única diferència amb el cicle Otto és que l'escalfament de la combustió no es produeix a volum constant, sinó a pressió constant. La raó és que en aquest moment la cambra està oberta, ja que s'està proporcionant el combustible, encara que la seva pressió és per descomptat superior a l'atmosfèrica.

A continuació us adjunto un video on podreu veure el funcionament del motor Dièsel acompanyat d'un dibuix 3D.

3. Motor Turbo

Explica en què consisteix la sobrealimentació d’un motor o motor Turbo.

Als motors sobrealimentats, el turbo consisteix en una turbina que s'acciona pels gasos d'escapament del motor. 

A l'eix del turbocompresor, hi ha un compressor centrífug que agafa l'aire a pressió atmosfèrica després de passar-lo pel filtre d'aire, el comprimeix per introduir-lo als cilindres a major pressió que la inicial.

Els gasos d'escapament entren a la turbina per una banda i surten per una altra, després d'haber cedit gran part de la seva energia interna al turbocompressor. 

L'aire entra al compressor i surt, creant un efecte secundari negatiu, un augment de la temperatura considerable. Aquest efecte s'arregla amb l'intercooler, que més endevant l'explicarem detalladament.

Aquest augment de la pressió generat per l'entrada i sortida de l'aire, introdueix en el cilindre una major quantitat d'oxigen que la normal, obtenint més parell motor i per tant més potència que un motor sense compressor de cilindrada semblant. 

Amb altres paraules, podem dir que el Turbocompressor aporta més aire a la compressió al motor, això fa que tingui una explosió més forta i per tant generi una potència més elevada, reduint les emissions contaminants i estalviant combustible.

L'ús d'elements que serveixen per sobrealimentar els motors, ve donat  per la necessitat d'augmentar la potència sense haver d'augmentar la cilindrada.

A continuació us penjo un video on podeu aclarir diversos conceptes en relació a l'explicació anterior. 

Com que el turbocompressor és activat per l'energia del gas d'escapament, un motor turboalimentat ofereix molts avantatges. 

D'entre elles podem destacar:

Increment de la relació (potència-pes):

Un turbocompressor pot incrementar la potència i el parell motor d'un dièsel en un 35% per sobre del tipus normal.

Reducció del soroll del motor:

La carcassa de la turbina actua com un conjunt que silencia el soroll dels gasos d'escapament. 

Economia de combustible:

Un motor turboalimentat aconsegueix una combustió més completa, que dona com a resultat un consum de combustible més baix.

Reducció de fums

Els turbocompressors subministren aire extra al motor els quals fan que la combustió sigui més eficaç i neta i que també redueixi les emissions de diòxid de carboni.

Inconvenients:

Potències menors revolucions baixes: Quan es porta amb poca acceleració (número de voltes baix), els gasos d'escapament es redueixen considerablement i això provoca que el turbo treballi poc.

El manteniment del turbo és més exigent que el d'un motor atmosfèric.

Els motors turbo necessiten un oli de més qualitat i canvis d'oli més freqüents, ja que aquest es troba sotmès a condicions  més dures.

Els motors turboalimentats requereixen millors materials i sistemes de lubricació i refrigeració més eficients .

4. Intercooler

Per què és necessari l’intercooler en els motors Turbo? En què consisteix?

El sistema intercooler està basat en un intercanviador de calor on s'introdueix l'aire que surt del turbocompressor per refredar-lo abans d'introduir-lo als cilindres del motor.

Quan refredem l'aire, la seva densitat disminueix i per tant podem introduir més massa d'aire als cilindres i així millorar el rendiment del motor.

A continuació mostrarem unes imatges on veurem com és un Intercooler i on està situat normalment en els cotxes. 

Aquí veiem un Intercooler sense estar instal·lat. Podem veure els diferents forats per on passa l'aire.

A continuació podem notar l'Intercooler instal·lat a la part inferior del cotxe, molt aprop del motor i del turbocompressor. 

Tot seguit us deixo un video en anglès d'on podeu vizualitzar una explicació de com funciona i les propietats d'un Intercooler normal i corrent. 

               

5. Common Rail

En què consisteix el sistema Common Rail? Quines avantatges ofereix respecte la injecció electrónica directa?

La idea principal del disseny Common Rail, és aconseguir una polvorització molt més gran que l'ctual per optimitzar el procés d'inflamació espontània de la barreja.

Per a això es recorre a fer uns forats molt més petits, disposats perpendicularment a la punta de l'injector 

És  igual a la injecció multipunt d'un motor de gasolina, en la qual també hi ha un conducte comú per a tots els injectors, amb la diferència que en els motors dièsel es treballa a una pressió molt més alta.

El sistema Common Rail funciona de la següent forma:

El gasoil emmagatzemat en a la cambra de combustible a baixa pressió, és aspirat per una bomba (tranfereix el gasoil) accionada elèctricament. Després s'envia a una segona bomba d'alta pressió que injecta el combustible a pressions d'uns 300 bar fins a 2000 bar al cilindre.

La bomba que aspira el gasoil del dipòsit, pot anar muntada a la pròpia bomba d'alta pressió. 
El conducte comú (Common Rail) és una canonada  de la qual parteixen una ramificacions d'altres petites canonades per cada injector dels cilindres corresponents.

El principal avantatge d'aquest sistema és que ens permet controlar electrònicament el subministrament de combustible per a cada cilindre, aconseguint preparar la barreja per a una òptima combustió. 
Això genera un nivell sonor molt més baix i un millor rendiment del motor.

6. El Motor Wankel

El motor Wankel és una màquina de combustió interna rotativa. Busca informació sobre aquest motor i:

El motor Wankel va ser inventat per Felix Wankel en 1957. Aquest motor és una mescla entre un motor de pistons i una turbina. 

a)Explica com treballa:

El motor Wankel funciona en quatre temps. 

El moviment rotatori es genera directament al pistó que té forma triangular i gira degut a les combustions que es produeixen a lesseves tres cambres laterals.

Els processos d'admissió i escapament es realitzen a travé

vàlvules que són controlades pel gir del motor.

El rotor triangular gira sobre una excèntrica situada al tronc
motriu. Durant la seva rotació, els tres vèrtexs del rotor estan en contacte amb la superfície interna de la cambra.

El dentat intern del motor s'engrana amb un pinyó creant òrbites al voltant del rotor. El gir del rotor és passa al tronc motriu através de l'excèntrica.

Les fases de Treball d'un motor Wankel són:

Admissió: La barreja (aire i combustible) entra dins del motorquan dos vèrtex del rotor deixen al descobert el tub d'entradade combustible. Quan els dos vèrtex ja han passat per el tub d'entrada, el combustible queda atrapat entre les parets de la cambrai els vèrtex del rotor.  

Compressió: La barreja un cop dins, queda tancada a la cambra del costat oposat als tubs d'entrada i sortida de combustible on la barreja disminueix la pressió i comença a comprimir´se. Abans d'arribar a la màxima compressió, es produeix una petita guspira en les bugies, iniciant-se la combustió.

Explosió: L'augment de pressió produïda per la combustió, 

impulsa al rotor mentre els gasos s'expandeixen, que s'allarga 
fins que un dels vèrtex deixa pas a vàlvules d'escapament.

Escapament: Un cop descoberta la vàlvula d'escapament, els 

gasos cremats són expulsats a gran velocitat. El gir del rotor vadisminuint el volum de la cambra fins completar el procés.

A continuació us deixo un video on us expliquen amb un retrat 3D,el funcionament d'un Motor Wankel, espero que us agradi.

b)Comenta els avantatges i els inconvenients:

Avantatges:

Menys peces mòbils: El motor Wankel té menys peces mòbils que un motor normal, sol té 4 peces. Això aporta facilitat al treball del motor.

Suavitat alhora de treballar: Com totes les peces del motor giren en un mateix sentit, no peteix variacions de sentit.

Menor velocitat de rotació: Com els rotors giren a 1/3 de la velocitat de l'eix, les peces principals del motor es mouen més lentament.

Menors vibracions: Com les irregularitats internes en el moment de treball del motor són molt petites, només es produeixen petites vibracions en l'excèntrica.

Menor pes: A causa del menor nombre de peces que formen el motor ajuda a aconseguir un menor pes final del mateix.


Inconvenients:

Emissions: Genera altes emissions de CO2, ja que treballa igual que un motor de 2 temps.

Costos de manteniment: Al no ser tant conegut, el seu manteniment és més complex ja que hi ha poc personal adequadament que tracti aquest motor.

Consum: Té un consum molt elevat.

Fre motor: El motor rotatiu Wankel, com els motors de 2T, té menys fre motor que els motors alternatius de 4T, així que els cotxes amb aquest motor necessiten uns frens amb més dimensions.

c)Hi ha vehicles al mercat amb aquest tipus de motor? Fés-ne un informe.

He estat buscant diversos cotxes al mercat que tinguin aquest tipus de motor, el fet és que he trobat un cotxe anomenat RX-8 de la marca MAZDA.

MAZDA RX-8

A continuació presentarem una taula amb diversa informació sobre aquest cotxe:

Un cop vistes aquestes dades, podem veure que el motor Wankel del RX-8 té una potència bastant gran, complementada amb una forta acceleració i una alta velocitat màxima. Així doncs, aquestes condicions tenen un petit inconvenient, que generen moltes emissions de CO2, cosa perjudicial per a l'estat d'aquest cotxe tal i com avui estan les coses. 

Aquest cotxe està a la venta i concretament, és un cotxe esportiu.