Motors d'explosió: predominen els dos temps?

1989/03/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza

La base física dels motors d'explosió és el segon principi de la termodinàmica publicada per Carnot en 1824. Segons aquest principi, la màquina tèrmica (per exemple, el motor d'explosió) ha de transportar calor des de la font calenta al fred perquè funcioni. Com a conseqüència d'això, Jammes Watt va fabricar una màquina de vapor en 1767 i Lenoir, motor de gas en 1859. Més tard, Beau de Rochase va pensar a millorar el rendiment del gas que anava a cremar-se amb una compressió prèvia. L'alemany Otto va culminar aquesta idea en el motor amb pistó en 1877.

Des de 1900, els motors de pistó s'han dividit en dos grans grups: motors de quatre temps i dos temps. Cap a 1900 es va descobrir un motor que substituiria al motor de quatre temps pel de dues vegades. En aquest nou motor, a més, no existien sistemes de distribució, ni vàlvules, ni molls, ni eixos de lleves. El motor és més lleuger, més petit i més fàcil de fabricar.

Superposada l'absorció i el buidatge, la força motriu es recull en cada semivida del cigonyal en els motors de dos temps i en els de quatre temps en dues voltes només al mig.

Quant al rendiment, el motor de dos temps té els seus desavantatges (en cas contrari els automòbils no tindrien motors de quatre temps). D'una banda, quan el pistó està a baix, els gasos cremats no van per complet per la finestra de sortida i s'accedeix una mica a la finestra que ve la mescla freda. Al seu torn, la mescla freda tendeix a sortir directament de la finestra de fuita sense omplir el cilindre. Això suposa un augment en el consum del motor i una major contaminació dels gasos emesos.

A més, els motors de dos temps per a la recerca termodinàmica són més difícils. Simular en condicions turbulentes els gasos cremats i l'evolució de la mescla freda de combustible és impossible en motors de dos temps.

Motor de 4 temps

,

la primera vegada que la vàlvula d'entrada està oberta, el pistó descendeix aspirant la mescla d'aire i gasolina a l'interior del cilindre. Quan el pistó puja, la segona vegada, la vàlvula està tancada i la mescla es comprimeix. Quan el pistó està a dalt, surt una espurna en la bugia i la mescla explota. Per l'acció de Presia el pistó va baixant amb força (en la tercera vegada el pistó només treballa en aquesta ocasió). Després, quan el pistó puja (quarta vegada) la vàlvula de fuita s'obre i els gasos cremats surten a l'exterior. Finalment es tanca la vàlvula de fuita, s'obre la vàlvula d'entrada i es repeteix el cicle de quatre temps. En el motor de dos temps, el cilindre manca de vàlvula. En la part inferior té dues finestres enfrontades i quan el pistó està a dalt, la seva superfície cilíndrica tanca totes dues finestres. Sota aquestes dues finestres es troba la tercera connectada al carburador i s'obre quan el pistó està a dalt. També hi ha un camí que uneix el càrter amb una finestra superior. Quan el pistó puja, les dues finestres oposades es tanquen i la mescla de combustible es comprimeix. Al mateix temps, sota el pistó (càrter) es produeix una depressió. Quan el pistó està a dalt, la finestra inferior queda oberta i es comunica amb el càrter, que s'omple immediatament de les mescles de combustible. Totes aquestes operacions es realitzen d'una sola vegada. Amb el pistó en la part superior, la mescla de l'espurna de la bugia explota i el pistó sofreix una força cap avall. La superfície cilíndrica del pistó tanca la finestra d'entrada i comprimeix la mescla de combustible en el càrter. Quan el pistó arriba gairebé al fons, les dues finestres oposades apareixen lliures i mentre els gasos cremats surten d'un costat, per un altre, s'introdueix una mescla freda de combustible impulsada per la compressió del càrter. Una vegada finalitzada aquesta segona etapa, el cicle comença de nou.

Però l'enginyer australià Ralph Sarich ha introduït moltes millores en el motor de dos temps. El senyor Sarich és l'inventat en 1973 d'un motor d'explosió especial. Tenia un pistó central girable però no de tipus Wankel, sinó que formava una espècie d'òrbita. Amb el premi que va guanyar llavors va formar una associació de recerca de motors d'explosió.

En primer lloc es va començar a treballar el seu motor “orbital”, investigant i desenvolupant el sistema d'injecció directa per a millorar el seu rendiment. El sistema d'injecció és pneumàtic, similar al dels grans motors dièsel dels vaixells. L'aire comprimit s'injecta a la cambra de combustió ruixant el combustible. Es tracta, per tant, d'un sistema de dos fluids que funciona com una pistola de pintura.

La injecció pneumàtica desenvolupada per l'equip de Sarich tenia dos objectius: millorar el rendiment i reduir els gasos contaminants de sortida.

Però el sorprenent és que el sistema obtingui els millors rendiments en motors de dos temps. Perquè a més de guanyar potència, redueix molt el consum. Per això ara totes les recerques s'estan duent a terme en motors de dos temps. El sistema del Sr. Sarich recull tots els òrgans necessaris en un col·lector d'injecció: canonades, dosificadors, alimentació, control electrònic, etc. En els primers assajos es va utilitzar un compressor d'aire independent, però ara la pressió necessària es pren directament de la cambra de combustió gràcies a sis orificis perfectament calibrats.

La pressió necessària en la cambra de cocció no és elevada, sinó d'uns cinc bars. A aquesta baixa pressió és més fàcil controlar el retard de la injecció (necessari per a millorar el rendiment) i es pot carregar la mescla al rierol “estratificat”. El remolí que es genera en omplir el cilindre s'aprofita per a obtenir capes de diferents concentracions de combustible (una cosa similar als estrats geològics). La capa més rica de combustibles és al costat de la bugia i les capes més pobres són les més llunyanes. Quan s'explota d'aquesta manera, es millora el rendiment del motor, el consum i la composició dels gasos de sortida.

La injecció governada per captador electrònic ha evitat que en motors de dos temps la mescla freda surti de l'escapada. No obstant això, existeixen altres obstacles com la falta de moment a baixa velocitat de gir, l'inestable “ralenti” i l'alt consum de lubrificant.

Per a millorar el problema del moment, Sarich ha instal·lat finestres de secció variable. Una vàlvula rotativa permet obtenir la secció més adequada a cada moment. En la via d'entrada unes palitas flotants s'obren en la fusteria i es recullen en el moment previ a la compressió. Així, el moment ha pujat de 90 Nm a 135 Nm entre 1000 i 6000 rpm. El resultat ha estat millor que en els motors de 4 temps. Així mateix, la geometria variable de la finestra de fuita ha permès estabilitzar el “ralentí”. Quant al consum de lubrificant, en el motor de Sarich el combustible no està en contacte amb el càrter i la gasolina no es barreja oli com en motors normals de dos temps (aquest oli de gasolina contamina després els gasos de sortida). La lubricació es realitza amb bomba extra en el motor de Sarich i a partir dels 2500 km es gasta aproximadament un litre d'oli.

En general, aquest motor té més avantatges que els automòbils actuals. D'una banda, ha superat amb facilitat les proves americanes més exigents contra la contaminació i, gràcies a això, no necessita catalitzador reductor per als gasos de sortida. Això suposa un estalvi de la meitat del sistema de fuita. D'altra banda, la potència del motor és molt diferent. El motor de Sarich, amb una cilindrada de 1,2 litres, dóna una potència de 91 cavalls i pes 41 quilos. Per part seva, qualsevol motor dels quatre temps actuals, amb una cilindrada de 1,6 litres, aconsegueix una potència de 85 cavalls i pes 128 quilos. En el motor de Sarich a més les vibracions són menors, les acceleracions són millors, el consum s'ha reduït entre un 10% i un 20%, etc.

De moment, Ford i General Motors estan provant aquest nou motor de dos temps i d'aquí a uns anys el seu domini no serà sorprenent.