Motor de combustió interna

Maqueta del motor Barsanti-Matteucci a l’ observatori Ximenian de Florència

El motor de combustió interna (MCI) o motor de combustió interna incorrectament és una màquina motriu per convertir l’ energia tèrmica , que posseeix un flux gasós aire - combustible , en treballs mecànics posats a disposició del cigonyal i que s’utilitza per al moviment o es converteix en corrent elèctric amb generador elèctric.

La conversió té lloc a la cambra de combustió , on els gasos de combustió generen una alta pressió i augmenten el volum de manera que empenyen el pistó cap avall, i al seu torn el pistó gira el cigonyal i transmet el treball a l’eix motor. La barreja consisteix en un combustible (poden ser gasolina , gasoil , querosè , GLP , gas natural , alcohol ), mentre que l’ oxigen de l’ aire funciona com a combustible . El tipus de combustible determina les característiques del motor i, per tant, la seva aplicació en els diversos camps.

Història

Motor de combustió interna Barsanti i Matteucci, 1854 (reproducció abans de 1962, Museu Nacional de Ciència i Tecnologia Leonardo da Vinci , Milà). Va ser el primer exemple de motor de combustió interna utilitzat per conduir màquines-eina.

Esquema d’un motor de pistons

La invenció es remunta als Lucchesi Eugenio Barsanti i Felice Matteucci , el 1853 detallaven el funcionament i la construcció en documents i patents presentats a diversos països europeus com Gran Bretanya , França, Itàlia i Alemanya ^[1] .

En els primers prototips de la compressió de fase s'havia perdut, és a dir, la fase d'admissió acabar prematurament amb el tancament de la vàlvula d'admissió abans que el pistó arriba a la meitat de el moviment, amb la qual cosa la espurna acomiadat i la combustió empeny el pistó per a la carrera restant, a continuació, aprofitant la reducció de pressió per fer-lo pujar i aquest cicle va ser molt ineficient.

Les primeres aplicacions pràctiques dels motors de combustió interna van ser els motors fora bord marins. Això es deu al fet que el principal impediment per a l'aplicació pràctica del motor de combustió interna en vehicles terrestres era el fet que, a diferència de la màquina de vapor , no podia arrencar de forma paralitzada. Els motors marins no es veuen afectats per aquest problema, ja que les hèlixs estan lliures d’un moment d’inèrcia important . Després d’anys d’experimentació, només el 1899 van aparèixer embragatges reals capaços d’engegar un vehicle terrestre desactivat sense haver d’empènyer-lo manualment: això va donar l’impuls real al desenvolupament del cotxe .

Classificació

Secció d'un motor Wankel

en funció del tipus, els motors de combustió interna es divideixen:

motor volumètric (el fluid del motor es processa periòdicament dins d’un volum ben definit i es genera cíclicament pel moviment d’algunes parts mecàniques)
- motor de moviment alternatiu , en el qual el moviment alternatiu dels pistons es transforma en un moviment rotatori a través d’una manovella d’empenta rotativa
- motor giratori , el pistó té un moviment rotatiu més o menys constant en funció del tipus de motor, com el motor Wankel i el motor toroidal Taurozzi
motors continus (el fluid del motor es processa contínuament en una àrea de volum no variable i, per tant, es configura com un sistema d'energia mecànica en flux)
- turbina de gas
- motor de reacció com a exoreactor i endoreactor (també anomenat motor coet )

Els motors alternatius segons el tipus de cicle termodinàmic:

motor d'encesa positiva (mal definit com a motor de combustió interna, utilitzat al cicle Otto )
motor d'encesa per compressió (utilitzat al cicle dièsel )

o sobre la base de com es divideix el cicle en funció del moviment alternatiu en els motors:

El motor alternatiu volumètric de quatre temps és el motor que subministra energia mecànica a gairebé tots els mitjans de transport per carretera (excloent certes motocicletes amb el de dos temps, però també les embarcacions a motor (excloent els vaixells amb el de dos temps sobrealimentat) i a alguns trens De vegades s'utilitza en un avió d' hèlix petit i per produir electricitat de baixa tensió.

Principis de funcionament

Motor tèrmic controlat per ignició, amb tots els sistemes a la vista

Motors de combustió interna estan basats en el exotèrmica química de reacció de combustió : la reacció d'un combustible amb un comburent , generalment aire. Vegeu també estequiometria . En alguns motors, es va introduir un nou tipus de sistema que va millorar significativament el consum de combustible, anomenat Lean Burn (combustió magra), que consistia en la injecció d'aire d'alta pressió directament a la cambra de combustió per optimitzar l'explosió de la mescla.

Els motors de combustió interna consten de diferents sistemes (plantes) que permeten el seu funcionament, com ara:

Sistema d’ encesa , aquest sistema només està present en motors d’encesa positiva i permet arrencar la combustió
Sistema d’arrencada
Central elèctrica
Sistema de refrigeració
Sistema d'escapament

Els combustibles més utilitzats avui en dia es componen d’ hidrocarburs i són derivats del petroli . Recentment s’han desenvolupat prototips que també poden utilitzar hidrogen (tant gasós com líquid). La majoria de motors de combustió interna dissenyats per funcionar amb gasolina també poden cremar metà o GLP sense modificacions diferents de les necessàries per al sistema de combustible.

Es classifiquen segons el sistema d’ encesa utilitzat per provocar la combustió a:

Motors d’encesa positiva : en els motors d’encesa positiva, la ignició sol ser controlada per una espurna d’alta tensió que dispara a la mescla aire-combustible dins del cilindre. L’espurna es produeix mitjançant un sistema d’encesa . A més, per arrencar el motor en condicions de temperatura externa relativament baixa i el propi motor, s’utilitza un sistema per garantir un arrencada més fàcil, anomenat sufocador .
motors d’encès per compressió : en motors d’encès per compressió (també anomenats motors dièsel ) el combustible s’injecta a l’aire comprimit als cilindres del motor i la combustió es produeix espontàniament, gràcies al favorable termo-pressor les condicions de combustió.

L’energia dels productes de combustió, els gasos de combustió , és superior a l’energia original de l’aire i del combustible (que tenien una energia química més alta) i es manifesta a través d’una temperatura i una pressió elevades que el motor transforma en treballs mecànics . En els motors alternatius, la pressió dels gasos de combustió és la que empeny els pistons als cilindres del motor.

Un cop recuperada l'energia, els gasos de combustió s'eliminen a través d'una o dues vàlvules d'escapament. En els motors de combustió interna actuals, després d’haver estat expulsats del cilindre, els gasos d’escapament passen per una turbina de gas que recupera l’energia residual dels productes de combustió, per tal de poder fer funcionar un compressor centrífug (enclavat al mateix eix de la turbina) ), que comprimeix l’aire de combustió (sobrealimentació mitjançant un turbocompressor accionat pels gasos d’escapament). Al final d'aquesta fase, el pistó torna a la posició del punt mort superior (pms). Tot el calor que no es transformi en treball s’ha d’eliminar del motor mitjançant un sistema de refrigeració per aire o líquid.

Potència

Tall d'un turborreactor General Electric J85-GE-17A

La potència real o potència mecànica d’un motor és la potència disponible al cigonyal considerada totes les dispersions. Una de les seves fórmules és la "potència tèrmica" expressada per la fórmula:

P_{eff}=\rho _{a}\,{\frac {VK^{*}}{\lambda }}\,\lambda _{v}\,\eta _{cc}\,\eta _{th}\,\eta _{i}\,\eta _{m}\,{\frac {n}{\tau  \over 2}}

{\ displaystyle P_ {eff} = \ rho _ {a} \, {\ frac {VK ^ {*}} {\ lambda}} \, \ lambda _ {v} \, \ eta _ {cc} \, \ edat _ {th} \, \ eta _ {i} \, \ eta _ {m} \, {\ frac {n} {\ tau \ over 2}}}

P _ {{eff}} = \ rho _ {a} \, {\ frac {VK ^ {*}} {\ lambda}} \, \ lambda _ {v} \, \ eta _ {{cc}} \ , \ eta _ {{th}} \, \ eta _ {i} \, \ eta _ {m} \, {\ frac {n} {{\ tau \ over 2}}}

On representen les variables de la fórmula:

\rho _{a}

{\ displaystyle \ rho _ {a}}

\ rho _ {a}

és la densitat de l’aire, aproximadament igual, però sempre inferior a l’atmosfèrica en motors aspirats, més alta en motors sobrealimentats (generalment entre un 20-30%)

V és el desplaçament