Motors tèrmics

Anomena els quatre temps del motor d'explosió de gasolina i descriu què passa en cadascun: posició del pistó, estat de les vàlvules i què li passa a la barreja.

La figura mostra esquemàticament els quatre temps d'un motor d'explosió, però un està tapat. Indica quin temps falta, què hi passa i com ho dedueixes de la posició del pistó i de les vàlvules dels temps veïns.

Explica les diferències bàsiques entre un motor de dos temps i un de quatre temps: quantes voltes del cigonyal necessita cada cicle, com entren i surten els gasos i per què els de dos temps solen ser més lleugers però més contaminants.

Defineix el diàmetre interior del cilindre (calibre) i la carrera del pistó, i escriu la fórmula de la cilindrada unitària en funció de tots dos. Per què dos motors amb la mateixa cilindrada es poden comportar de manera molt diferent si un és «de carrera llarga» (carrera més gran que el diàmetre) i l'altre «superquadrat»?

La figura mostra un cilindre amb el seu calibre i la seva carrera acotats. Calcula la cilindrada unitària $V_u = \pi \cdot \frac{D^2}{4} \cdot c$ amb les dades de la figura, expressa-la en $\text{cm}^3$ i calcula la cilindrada total si el motor té tres cilindres.

Un motor té quatre cilindres de $500\ \text{cm}^3$ de cilindrada unitària. a) Calcula la cilindrada total del motor. b) Si el volum de la cambra de combustió de cada cilindre (amb el pistó al punt mort superior) és de $50\ \text{cm}^3$, calcula la relació de compressió $r = \frac{V_u + V_c}{V_c}$. c) Explica quina millora i quin risc comporta una relació de compressió alta.

Compara el cicle Otto (gasolina) amb el cicle dièsel: com s'introdueix el combustible, com es produeix la ignició i quina relació de compressió utilitza cadascun. Raona per què els motors dièsel solen ser més eficients a càrrega parcial.

Explica per què el motor dièsel no necessita bugies: què passa amb la temperatura de l'aire en comprimir-lo molt, quan s'injecta el gasoil i com es produeix l'autoencesa. Relaciona això amb la seva relació de compressió més gran.

Molts motors tèrmics en vehicles híbrids utilitzen el cicle Atkinson/Miller en lloc del cicle Otto convencional. a) Representa i explica sobre un diagrama $p\text{-}V$ esquemàtic com s'aconsegueix que la carrera d'expansió sigui més gran que la carrera de compressió efectiva mitjançant el retard en el tancament de les vàlvules d'admissió (distribució variable VVT). Quina repercussió té aquest desfasament en l'aprofitament de l'energia dels gasos i en la temperatura d'escapament? b) Si el cicle Atkinson ofereix un rendiment tèrmic superior, justifica per què no s'utilitza de manera generalitzada en turismes convencionals sense hibridació ni sobrealimentació, parant atenció a la potència específica i a l'ompliment a baixes revolucions. c) Justifica de quina manera el sistema híbrid resol i compensa de manera sinèrgica aquesta limitació intrínseca del motor Atkinson.

Un motor lliura un parell de $180\ \text{N}\cdot\text{m}$ a $3\,000\ \text{rpm}$. a) Expressa la velocitat angular en $\text{rad/s}$ ($\omega = \frac{2 \pi n}{60}$). b) Calcula la potència efectiva $P = M \cdot \omega$ i expressa-la en $\text{kW}$. c) Calcula el treball produït per cada explosió d'un cilindre si el motor és de quatre cilindres i quatre temps.

El consum específic d'un motor és de $240\ \text{g/kWh}$. a) Calcula quanta gasolina consumeix en una hora funcionant a $50\ \text{kW}$. b) Amb el poder calorífic de la gasolina ($\approx 12\ \text{kWh/kg}$), calcula el rendiment tèrmic del motor. c) Comenta el resultat a la vista del balanç típic de pèrdues.

En el banc d'assajos s'obtenen les dades següents per a un motor de quatre cilindres i quatre temps ($1\,600\ \text{cm}^3$ de cilindrada total): a $2\,500\ \text{rpm}$ lliura un parell de $145\ \text{N}\cdot\text{m}$ consumint $6,8\ \text{kg/h}$ de gasolina ($P_c = 44\ \text{MJ/kg}$); a $6\,000\ \text{rpm}$ el seu parell cau a $110\ \text{N}\cdot\text{m}$ consumint $19,2\ \text{kg/h}$. a) Determina la potència efectiva en ambdós règims i calcula el rendiment efectiu del motor en cadascun d'ells. b) Un mecànic afirma: «A $6\,000\ \text{rpm}$ el motor aspira més aire per segon, de manera que l'ompliment del cilindre i la combustió són millors i el parell motor hauria de ser màxim». Rebat tècnicament i termodinàmicament aquesta afirmació justificant la caiguda de parell a altes revolucions a partir del rendiment volumètric (estrangulament en vàlvules) i les pèrdues per fregament mecànic.