Motores de explosión: predominan os dous tempos?

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

• Ingeniaritza

A base física dos motores de explosión é o segundo principio da termodinámica publicada por Carnot en 1824. Segundo este principio, a máquina térmica (por exemplo, o motor de explosión) debe transportar calor desde a fonte quente ao frío para que funcione. Como consecuencia diso, Jammes Watt fabricou una máquina de vapor en 1767 e Lenoir, motor de gas en 1859. Máis tarde, Beau de Rochase pensou en mellorar o rendemento do gas que ía queimarse cunha compresión previa. O alemán Otto culminou esta idea no motor con pistón en 1877.

Desde 1900, os motores de pistón dividíronse en dous grandes grupos: motores de catro tempos e dous tempos. Cara a 1900 descubriuse un motor que substituiría ao motor de catro tempos polo de dúas veces. Neste novo motor, ademais, non existían sistemas de distribución, nin válvulas, nin peiraos, nin eixos de levas. O motor é máis lixeiro, máis pequeno e máis fácil de fabricar.

Superpuesta a absorción e o baleirado, a forza motriz recóllese en cada semivida do cigüeñal nos motores de dous tempos e nos de catro tempos en dúas voltas só no medio.

En canto ao rendemento, o motor de dous tempos ten as súas desvantaxes (de non ser así os automóbiles non terían motores de catro tempos). Por unha banda, cando o pistón está abaixo, os gases queimados non van por completo pola xanela de saída e accédese un pouco á xanela que vén a mestura fría. Á súa vez, a mestura fría tende a saír directamente da xanela de escape sen encher o cilindro. Isto supón un aumento no consumo do motor e una maior contaminación dos gases emitidos.

Ademais, os motores de dous tempos paira a investigación termodinámica son máis difíciles. Simular en condicións turbulentas os gases queimados e a evolución da mestura fría de combustible é imposible en motores de dous tempos.

Motor de 4 tempos

,

a primeira vez que a válvula de entrada está aberta, o pistón descende aspirando a mestura de aire e gasolina ao interior do cilindro. Cando o pistón sobe, a segunda vez, a válvula está pechada e a mestura comprímese. Cando o pistón está arriba, salgue una faísca na bujía e a mestura explota. Pola acción de Presia o pistón vai baixando con forza (na terceira vez o pistón só traballa nesta ocasión). Despois, cando o pistón sobe (cuarta vez) a válvula de escape ábrese e os gases queimados salguen ao exterior. Finalmente péchase a válvula de escape, ábrese a válvula de entrada e repítese o ciclo de catro tempos. No motor de dous tempos, o cilindro carece de válvula. Na parte inferior ten dúas xanelas enfrontadas e cando o pistón está arriba, a súa superficie cilíndrica pecha ambas as xanelas. Baixo estas dúas xanelas atópase a terceira conectada ao carburador e ábrese cando o pistón está arriba. Tamén hai un camiño que une o cárter cunha xanela superior. Cando o pistón sobe, as dúas xanelas opostas péchanse e a mestura de combustible comprímese. Ao mesmo tempo, baixo o pistón (cárter) prodúcese una depresión. Cando o pistón está arriba, a xanela inferior queda aberta e comunícase co cárter, que se enche inmediatamente das mesturas de combustible. Todas estas operacións realízanse dunha soa vez. Co pistón na parte superior, a mestura da faísca da bujía explota e o pistón sofre una forza cara abaixo. A superficie cilíndrica do pistón pecha a xanela de entrada e comprime a mestura de combustible no cárter. Cando o pistón chega case ao fondo, as dúas xanelas opostas aparecen libres e mentres os gases queimados salguen dun lado, por outro, introdúcese una mestura fría de combustible impulsada pola compresión do cárter. Una vez finalizada esta segunda etapa, o ciclo comeza de novo.

Pero o enxeñeiro australiano Ralph Sarich introduciu moitas melloras no motor de dous tempos. O señor Sarich é o inventado en 1973 dun motor de explosión especial. Tiña un pistón central girable pero non de tipo Wankel, senón que formaba una especie de órbita. Co premio que gañou entón formou una asociación de investigación de motores de explosión.

En primeiro lugar comezouse a traballar o seu motor “orbital”, investigando e desenvolvendo o sistema de inxección directa paira mellorar o seu rendemento. O sistema de inxección é pneumático, similar ao dos grandes motores diesel dos barcos. O aire comprimido inxéctase á cámara de combustión asperxendo o combustible. Trátase, por tanto, dun sistema de dous fluídos que funciona como una pistola de pintura.

A inxección neumática desenvolvida polo equipo de Sarich tiña dous obxectivos: mellorar o rendemento e reducir os gases contaminantes de saída.

Pero o sorprendente é que o sistema obteña os mellores rendementos en motores de dous tempos. Porque ademais de gañar potencia, reduce moito o consumo. Por iso agora todas as investigacións están a levarse a cabo en motores de dous tempos. O sistema do Sr. Sarich recolle todos os órganos necesarios nun colector de inxección: tubaxes, dosificadores, alimentación, control electrónico, etc. Nos primeiros ensaios utilizouse un compresor de aire independente, pero agora a presión necesaria tómase directamente da cámara de combustión grazas a seis orificios perfectamente calibrados.

A presión necesaria na cámara de cocción non é elevada, senón dun cinco bares. A esta baixa presión é máis fácil controlar o atraso da inxección (necesario paira mellorar o rendemento) e pódese cargar a mestura ao arroio “estratificado”. O remolino que se xera ao encher o cilindro aprovéitase paira obter capas de diferentes concentracións de combustible (algo similar aos estratos xeolóxicos). A capa máis rica de combustibles é xunto á bujía e as capas máis pobres son as máis afastadas. Cando se explota desta maneira, mellórase o rendemento do motor, o consumo e a composición dos gases de saída.

A inxección gobernada por captador electrónico evitou que en motores de dous tempos a mestura fría salga da escapada. Con todo, existen outros obstáculos como a falta de momento a baixa velocidade de xiro, o inestable “ralenti” e o alto consumo de lubricante.

Paira mellorar o problema do momento, Sarich instalou xanelas de sección variable. Una válvula rotativa permite obter a sección máis adecuada en cada momento. Na vía de entrada unhas palitas flotantes ábrense na carpintaría e recóllense no momento previo á compresión. Así, o momento subiu de 90 Nm a 135 Nm entre 1000 e 6000 rpm. O resultado foi mellor que nos motores de 4 tempos. Así mesmo, a xeometría variable da xanela de escape permitiu estabilizar o “ralentí”. En canto ao consumo de lubricante, no motor de Sarich o combustible non está en contacto co cárter e a gasolina non se mestura aceite como en motores normais de dous tempos (este aceite de gasolina contamina logo os gases de saída). A lubricación realízase con bomba extra no motor de Sarich e a partir dos 2500 km gástase aproximadamente un litro de aceite.

En xeral, este motor ten máis vantaxes que os automóbiles actuais. Por unha banda, superou con facilidade as probas americanas máis esixentes contra a contaminación e, grazas a iso, non necesita catalizador reductor paira os gases de saída. Isto supón un aforro da metade do sistema de escape. Doutra banda, a potencia do motor é moi diferente. O motor de Sarich, cunha cilindrada de 1,2 litros, dá una potencia de 91 cabalos e pesa 41 quilos. Pola súa banda, calquera motor dos catro tempos actuais, cunha cilindrada de 1,6 litros, alcanza una potencia de 85 cabalos e pesa 128 quilos. No motor de Sarich ademais as vibracións son menores, as aceleracións son mellores, o consumo reduciuse entre un 10% e un 20%, etc.

Polo momento, Ford e General Motors están a probar este novo motor de dous tempos e dentro duns anos o seu dominio non será sorprendente.