1. Motor Stirling

El motor 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:

a) Explica com treballa:

El motor Stirling, que va ser inventat l’any 1816 per l’enginyer Robert Stirling, tenia l’objectiu de generar treball d’una forma menys perillosa que la màquina de vapor. El seu funcionament és senzill:

És un motor d’aire calent que utilitza una font de calor fixa per escalfar aire dintre del seu cilindre. El procés que utilitza és adiabàtic (és a dir, que té lloc sense cap intercanvi d’energia amb l’exterior sent així un sistema aïllat) i se’l considera de combustió externa vist que no requereix cremar combustible en el seu interior. El seu moviment es generat per les diferències de pressió del aire que hi ha entre la zona freda i la més calenta. 

El mecanisme més important és el central que consisteix en dos pistons, dels quals un d’ells transmet per dissipació calor i aire calent de la zona calenta cap la zona freda i també fa el mateix però en sentit contrari, dissipa aire fred cap la secció calenta. Podríem dir que aquests pistó és un intercanviador de calor i l’anomenen regenerador. Després tenim el segon pistó que actua com a cigonyal (recordem que ja els vàrem veure en el tema de màquines mecàniques, per exemple en la biela-manovella).

Amb tot això veiem que un dels principis de funcionament és el de l’expansió i contracció d’un gas (normalment heli, nitrògen, hidrògen o simplement aire),  que provoca un treball. Per fer-ho fem aquest intercanvi de temperatures entre dos focus, que és el que alhora fa girar el cigonyal.

A més és un motor molt eficient (dels més eficients coneguts)  ja que es possible obtenir dos polsos de força per cada volta del cigonyal. L’únic problema és que no pot ser posat en funcionament de forma instantània. 

b) Per veure les diferències entre els cicles del Stirling i de la màquina de vapor resumirem cada tipus de cicle.

· Començarem per el cicle Stirling que té quatre passos en el seu cicle:

-       El gas es comprimeix des d’un volum inicial Vº fins un final Vª inferior, mantenint la seva temperatura constant en un valor de T1 ( refredant el gas de forma continuada). Compressió isotèrmica

-       Escalfament a volum constant on el gas s’ecalfa de la T1 fins a una nova T2 a volum constant.

-       Després es genera una compressió isotèrmica on el gas s’expandeix mentre se li subministra calor de forma que es manté la T2 constant.

-       I per últim es redueix la temperatura del gas un altre cop a T1 en un procés isocor, on el volum es manté costant. 

·En canvi la màquina de vapor té un cicle diferent i és menys eficient. Bé els passos són els següents:

-       S’absorbeix calor Qº en un procés isotèrmic.

-       Es refreda adiabàticament fins la temperatura del focus fred T2.

-       S’aporta calor al focus fred de temperatura T2.

-       S’escalfa adiabàticament des de la temperatura T2 fins la temperatura del focus calent T1.

  

c) Avantatges i inconvenients:

· Avantatges dels motors Stirling:

-       L’aportament de calor és extern.

-       Funciona amb qualsevol font de calor, pot utilitzar altres fonts com la solar, geotèrmica, nuclear, biològica... no té perquè ser la combustió convencional.

-       La majoria d’aquests motors tenen els mecanismes i juntes en els focus freds, per tant no cal lubricar-los tant i duren més.

-       Es redueixen moltes emissions perquè utlitza un procés de combustió contínua.

-       Els mecanismes són molt senzills, no necessiten vàlvules i els cremadors es poden simplificar.

-       El fluid que utlitza és d’una única fase, reduint el risc d’explosió. Per exemple les màquines de vapor són molt més perilloses ja que utilitza aigua en estat líquid i en vapor.

-       Els cilindres solen ser més lleugers.

-       Es poden construir per funcionaments silenciosos i sense consum d’aire per la propulsió de submarins.

-       Arranquen fàcilment després de que s’hagi escalfat el motor, a qualsevol temperatura ambiental.

-       Pot servir de bomba d’aigua, i la mateixa aigua podria fer de refrigerant.

-       Són molt flexibles.

· Inconvenients:

-       Els motors Stirling requereixen intercanviadors de calor tant a l’entrada com a la sortida, que suportin els efectes corrosius de la font de calor, això encareix molt la màquina.

-       Els motors que funcionen en petits diferencials són molt grans en comparació al treball realitzat degut als intercanviadors.

-       Un motor Stirling no es pot arrancar instantàniament, primer s’ha d’escalfar.

-       El treball que genera aquest motor és constant i requereix uns mecanismes molts acurats, això encara el fa encarir més.

-       La dissipació de calor del focus fred és complicada perquè el refrigerant es manté a T constant per augmentar l’eficiència tèrmica.

d) On s’utilitzen aquests motor en l’actualitat?

En l’actualitat els motors Stirling té moltes aplicacions. Una de les principals és en els automòbils, on van substituir els altres motors tan en la seva versió Diesel com Otto per la seva lleugeresa i eficiència. Després tenim altres usos com en l’energia solar on amb l’energia del Sol s’aconsegueix produir un treball. Un exemple d’utilització d’aquests motors en energia solar és a la Plataforma Solar d’Almeria.

Un ús molt important és en refrigeració, que més que dir que utilitzem un motor Stirling hauríem de dir que utilitzem una Màquina de Cicle Stirling. En aquest sector els utilitzem com a bomba de calor transferint calor del focus calent al fred i a l’inrevés, del fred al calent. Després també els utilitzem per recuperació d’energia i producció d’energia mecànica.

I l’últim ús important és en aviació on a més s’estan buscant diferents i nous motors Stirling per incorporar-los en els avions del futur, cosa que implicaria si les investigacions tinguessin èxit, un estalvi energètic. En un futur, per tant, poden fins i tot agafar més importància. 

2. Motor de 4T

a) Els motors de quatre temps són els grups de motors de combustió interna alternatius tant de cicle dièsel com de cicle Otto. Aquests tenen el que anomenen un cicle de quatre temps on el pistó fa quatre carreres (voltes del cigonyal) per completar un cicle termodinàmic de combustió.

De totes formes el cicle té quatre temps, que són els següents:

1. Primer temps, admissió: Aquesta és la fase on el descens del pistó aspira la barreja d’aire combustible, que va als motors de encès provocat o als motors d’encès per compressió. La vàlvula d’escapament resta tancada mentre que la d’amissió resta oberta al pas de l’aire.

2. Segon temps, compressió: En aquesta fase la vàlvula d’admissió es tanca i el pistó ascendeix comprimint l’aire que hi havia a l’interior de la càmera del motor. Les dues vàlvules, per tant, resten tancades.

3. El tercer temps, explosió/expansió: El gas experimenta la seva pressió màxima, i és quan salta la guspira a la bugia, provocant la explosió o inflamació de la barreja en els motors Otto. En els dièsel el funcionament és semblant però s’injecta combustible polvoritzat a través del injector, que s’autoinflama gràcies a la pròpia pressió i la temperatura existent al cilindre. En els dos casos un cop s’inicia la combustió, aquesta progressa ràpidament incrementant la temperatura i la pressió en l’interior del cilindre i expandint, augmenta el volum, dels gasos.

4. Quart temps, escapament: En aquesta fase el pistó empeny els gasos de la combustió que surten a través de la vàlvula d’escapament que resta oberta. Al arribar al punt màxim de carrera superior, es tanca la vàlvula d’escapament i s’obre la d’admissió per tornar a començar el cicle.

Bé, aquest és el cicle de quatre temps. Com el seu nom indica el seu cicle està composat per quatre moments bàsics, mentre que el motor de dos temps, com el seu nom indica, està composat per dos moments bàsics:

-   El primer moment és el de la fase d’admissió-compressió: El pistó es desplaça cap a dalt i deixa oberta la vàlvula d’admissió. Mentre la part superior d’aquest pistó dur a terme la compressió, en la part inferior es succiona la barreja d’aire i combustible a través d’aquesta vàlvula. La part inferior ha d’estar aïllada. 

- El segon moment és el de la fase d’explosió-escapament: Al finalitzar la compressió i arribar el pistó al punt mort superior, comença la fase de combustió. La bugia produeix una guspira elèctrica que provoca una expansió dels gasos que fa moure la biela. Els gasos surten per la vàlvula d’escapament (que s’obre) i l’aire combustible passa per el pas de   transferència per començar un cicle nou.

Veiem que el motor de 2 temps i el de 4 temps tenen un cicle relativament similar però un el fa en dos moments més que l’altre (com el seu nom ja indica). En quan el combustible el motor de dos temps utilitza, per exemple en les motocicletes, l’oli de combustió. Els motors de 4 temps utilitzen el mateix tipus de combustible. I l'estructura és similar però el motor de 2T té unes vàlvules (que jo he mal anomenat vàlvules en l'explicació del cicle quan realment el terme correcte és "lumbreres") que el motor de 4T no té, ja que té les vàlvules bàsiques d'escapament i d'admissió. Una altra gran diferència és que en el seu funcionament els motors de 4T necessiten dos girs del cigonyal per fer un cicle complet, mentre que els de 2T només en necessiten un. Tot i això els motors de 4T han, sobretot en motos, guanyat respecte els de 2T i s'han acabat imponent sobre aquests. A la pràctica els motors de 4T són més nets i menys contaminats.  

b) El cicle del motor de 4 temps ja ha sigut explicat en l’apartat anterior. Ara explicarem el motor dièsel.

El cicle d’un dièsel ideal és un model simplificat del que ocorre en un motor dièsel. En aquesta classe de motors, a diferencia del que succeeix en els motors de benzina la combustió no es genera per una bugia al interior de la càmera. En el seu lloc, aprofitant les propietats químiques del gasoil, l’aire és comprimit fins a una temperatura molt alta i el combustible és injectat a pressió en aquest aire calent, produint-se una combustió de la barreja. Aquesta és probablement la diferència més gran i evident entre el motor dièsel i el de 4T.

Vist que només es comprimeix aire, la relació de compressió ( quocient entre volum en el punt més baix i en el més alt del pistó) pot ser molt més alta la del motor dièsel que la d’un motor de gasolina (4T,2T). En quan el seu cicle es considera de sis passos, però dos d’ells s’anul·len mútuament per el que acaba sent de 4 moments:

 Admissió: El pistó baixa amb la vàlvula d’admissió oberta, augmentants la quantitat d’aire en la càmera. Hi ha una expansió de la pressió constant (isobàrica).

 Compressió: El pistó puja comprimint l’aire, amb un procés adiabàtic sense possibilitat d’intercanviar calor amb el medi.

Combustió: Una mica abans de que el pistó arribi al seu punt més alt i continuant fins l’instant just que comença a retrocedir, el injector injecta el combustible en la càmera on s’hi troba l’aire a bran temperatura per la compressió.  

Expansió: L’alta temperatura del gas empeny el pistó cap a baix, realitzant un treball sobre ell. És un procés molt ràpid i s’aproxima a la corba adiabàtica reversible.   

Escapament: La vàlvula d’escapament s’obre i el gas surt a l’exterior, empenyent el pistó a una temperatura major que la inicial, sent substituït per la mateixa quantitat de barreja freda en la següent admissió. El sistema pot ser oberts perquè intercanvia massa amb l’exterior, però no obstant vist que la quantitat d’aire que surt és la mateixa que hi posem, per el balanç energètic, l’aire s’ha refredat. Aquest refredament succeeix en dues fases; quan el pistó està al seu punt més baix ( volum= ct i per tant isocor) i quan el pistó empeny l’aire cap l’exterior. En total el cicle es composa de dues pujades i dues baixades del pistó, per el que és un cicle de 4T, però l’anomenem dièsel per el que ja hem comentat en la combustió (la mescla no combustiona amb una bugia, sinó amb la temperatura).   

Aquestes són les diferencies més importants entre aquest dos motors, veiem que els cicles són semblants, i el canvi més gran es troba en la combustió.