Motor de 4 Temps: Funcionament, Cicle Otto i Fases Clau

El Motor de 4 Temps: Explicació Detallada del Funcionament

El motor de 4 temps és aquell que utilitza la gasolina com a combustible. Segueix el cicle d'Otto i transforma l'energia tèrmica en energia mecànica impulsant el pistó, el qual converteix el seu moviment alternatiu en circular mitjançant un mecanisme de biela-manovella. Aquest motor opera en un cicle de quatre fases o temps ben diferenciats:

Les Quatre Fases del Cicle d'un Motor de 4 Temps

1. Temps d'Admissió

Aquesta fase comença amb el pistó desplaçant-se des del punt mort superior (PMS) cap al punt mort inferior (PMI). La vàlvula (o vàlvules) d'admissió s'obre, permetent que la mescla d'aire i combustible (en motors de carburador o injecció indirecta) o només aire (en motors d'injecció directa de gasolina) entri al cilindre. Els motors moderns solen tenir múltiples vàlvules d'admissió per cilindre (dues o tres) per millorar el flux d'entrada. Degut a la inèrcia dels gasos, la vàlvula d'admissió es tanca lleugerament després que el pistó hagi arribat al PMI, per aprofitar al màxim l'ompliment del cilindre.

2. Temps de Compressió

Un cop tancades les vàlvules d'admissió (i les d'escapament romanen tancades), el pistó puja des del PMI cap al PMS, comprimint la mescla d'aire i combustible (o només aire) dins del cilindre. Aquesta compressió augmenta la temperatura i la pressió de la mescla, preparant-la per a la combustió. La compressió finalitza just abans que el pistó arribi al PMS.

3. Temps d'Explosió (o Combustió/Potència)

Poc abans que el pistó arribi al PMS al final de la compressió, es produeix la ignició de la mescla. En motors de gasolina, això s'aconsegueix mitjançant una guspira elèctrica generada per la bugia. En motors amb injecció electrònica, el combustible pot haver estat injectat prèviament al conducte d'admissió (injecció indirecta) o directament a la cambra de combustió durant la compressió o just abans de la ignició (injecció directa). Aquest sistema d'injecció, controlat per un microprocessador, gestiona amb precisió la quantitat i el moment de la injecció, substituint els antics carburadors. La combustió ràpida de la mescla provoca un augment dràstic de la pressió i la temperatura dins del cilindre. Aquesta alta pressió empeny amb força el pistó cap avall, des del PMS cap al PMI, generant la potència mecànica del motor. La ignició s'inicia lleugerament abans del PMS perquè la combustió no és instantània; es necessita temps perquè el front de flama es propagui per tota la cambra i la combustió sigui completa, maximitzant així la força sobre el pistó.

4. Temps d'Escapament

Quan el pistó s'aproxima al PMI al final del temps de potència, la vàlvula (o vàlvules) d'escapament s'obre. El pistó puja novament des del PMI cap al PMS, expulsant els gasos cremats fora del cilindre a través del conducte d'escapament. L'obertura de la vàlvula d'escapament una mica abans del PMI ajuda a reduir la pressió residual i facilita l'expulsió dels gasos, minimitzant la resistència. Quan el pistó arriba al PMS, la vàlvula d'escapament es tanca, i el cicle està llest per començar de nou amb el temps d'admissió.

Processos Termodinàmics del Cicle Otto Idealitzat

El funcionament del motor de 4 temps es pot representar teòricament mitjançant el cicle Otto idealitzat, que consta de les següents transformacions termodinàmiques (sovint visualitzades en un diagrama Pressió-Volum):

• Transformació 1 → 2 (Compressió): La mescla aire-combustible es comprimeix adiabàticament (sense intercanvi de calor amb l'exterior). El volum disminueix i la pressió i temperatura augmenten.
• Transformació 2 → 3 (Aportació de calor a volum constant / Combustió): Amb el pistó al PMS, es produeix la combustió de la mescla. En el cicle ideal, aquesta aportació de calor es considera instantània i a volum constant (procés isocor), provocant un ràpid augment de la pressió i la temperatura.
• Transformació 3 → 4 (Expansió): Els gasos a alta pressió i temperatura s'expandeixen, empenyent el pistó. Aquesta és la fase de treball del motor i es considera una expansió adiabàtica. El volum augmenta, mentre que la pressió i la temperatura disminueixen.
• Transformació 4 → 1 (Cessió de calor a volum constant / Escapament inicial): En el cicle ideal, quan el pistó arriba al PMI, s'obre la vàlvula d'escapament. Es considera que els gasos cedeixen calor a l'entorn a volum constant (procés isocor), provocant una caiguda ràpida de la pressió fins a la pressió d'escapament, abans que el pistó comenci a pujar per expulsar els gasos restants (que en el cicle real és un procés a pressió quasi constant).

Comparació amb Motors de 2 Temps

En els motors de 2 temps, els processos termodinàmics fonamentals (admissió, compressió, explosió i escapament) també tenen lloc, però es completen en només dues curses del pistó (una volta del cigonyal), en lloc de quatre (dues voltes del cigonyal). Això s'aconsegueix superposant fases: per exemple, l'admissió i la compressió poden ocórrer parcialment de forma simultània, igual que l'explosió i l'escapament. Teòricament, un motor de dos temps podria generar el doble de potència que un motor de quatre temps de la mateixa cilindrada i velocitat, ja que realitza un cicle de treball per cada volta del cigonyal. No obstant això, a la pràctica, els motors de 2 temps solen ser menys eficients en el consum de combustible i poden generar més emissions contaminants a causa del procés d'escombratge dels gasos.

Diferències Clau amb el Motor Dièsel

El motor dièsel, tot i que també pot ser de 4 temps (o 2 temps), presenta diferències significatives respecte al motor Otto (de gasolina):

• Encesa: En lloc d'una bugia, el motor dièsel utilitza l'encesa per compressió. L'aire s'admet sol al cilindre i es comprimeix a una relació molt més alta que en un motor de gasolina, elevant la seva temperatura per sobre del punt d'autoignició del combustible dièsel. El combustible s'injecta llavors a la cambra de combustió, on s'encén espontàniament en contacte amb l'aire calent.
• Cicle termodinàmic: El cicle ideal per al motor dièsel és el cicle Dièsel, on l'aportació de calor (combustió) es produeix teòricament a pressió constant, a mesura que el combustible s'injecta i es crema mentre el pistó comença a baixar. Això contrasta amb el cicle Otto, on l'aportació de calor és a volum constant.
• Combustible: Utilitzen gasoil (dièsel) en lloc de gasolina.

Aquestes diferències resulten en característiques de funcionament diferents, com ara un major parell motor a baixes revolucions i, generalment, una major eficiència tèrmica en els motors dièsel.