A l'estudi de la física i la termodinàmica, un procés és un canvi d'estat en un sistema on se n'alteren les propietats termodinàmiques, com ara pressió, volum i temperatura, mitjançant la transferència d'energia en forma de calor o treball. Aquests processos intervenen en els cicles termodinàmics dels motors de combustió interna (endotèrmics), que són els motors que es troben comunament en automòbils, motocicletes i molts altres tipus de maquinària.
Els motors endotèrmics converteixen l'energia química del combustible (com la benzina o el dièsel) en energia mecànica. Això s'aconsegueix mitjançant cicles termodinàmics que tenen lloc dins dels cilindres del motor. Els principals components del motor inclouen el pistó, el cilindre, la vàlvula d'admissió, la vàlvula d'escapament i el cigonyal. El moviment dels pistons dins dels cilindres és el que finalment impulsa el vehicle.
Els cicles més importants en aquests motors són els cicles Otto i Dièsel. En tots dos casos, els processos termodinàmics que apareixen en les diferents etapes són els següents:
- Isobàric: La pressió es manté constant mentre el volum canvia.
- Adiabàtic: No hi ha intercanvi de calor amb lentorn; la pressió i la temperatura canvien a causa de la compressió o expansió del gas.
- Isocòric (Isocòric): El volum es manté constant mentre la pressió i la temperatura canvien.
Etapes del cicle Otto
Un dels cicles més comuns que descriu el funcionament dels motors de combustió interna és el cicle Otto. Aquest cicle consta de quatre etapes principals: admissió, compressió, combustió (expansió) i fuita.
1. Admissió (procés isobàric)
Durant l'etapa d'admissió, s'obre la vàlvula d'admissió i el pistó es mou cap avall dins del cilindre. Això permet que la barreja daire i combustible ingressi al cilindre.
En aquest punt, el procés és isobàric, ja que la pressió dins del cilindre es manté constant (igual que la pressió atmosfèrica) mentre el volum augmenta. Aquest augment en volum es deu al moviment descendent del pistó que crea més espai dins del cilindre.
2. Compressió (procés adiabàtic)
Després que la barreja daire i combustible ha ingressat al cilindre, la vàlvula dadmissió es tanca i el pistó es mou cap amunt, comprimint la barreja.
Aquest procés augmenta la temperatura i la pressió de la barreja, però no és un procés isobàric sinó adiabàtic, perquè la pressió canvia durant la compressió.
3. Combustió i expansió (procés isocòric i després isobàric)
En el moment que el pistó arriba a la part superior del cilindre, s'encén la barreja comprimida mitjançant una espurna. La ràpida combustió de la barreja produeix un augment sobtat de la temperatura i la pressió (procés isocòric), seguit de l'expansió dels gasos.
A mesura que el pistó es mou cap avall durant l'expansió, el volum del cilindre augmenta i la pressió tendeix a mantenir-se constant (procés isobàric) a la fase final d'expansió.
4. Fuga (procés isobàric)
A l'etapa d'escapament, la vàlvula d'escapament s'obre i el pistó es mou cap amunt de nou, empenyent els gasos cremats fora del cilindre.
Igual que a l'etapa d'admissió, la pressió al cilindre es manté relativament constant (a la pressió atmosfèrica) mentre el volum disminueix. Aquest és un altre exemple dun procés isobàric.
Etapes de cicle Dièsel
Al cicle Dièsel, l'eficiència i el funcionament depenen de com es manegen la pressió, el volum i la temperatura dins del motor.
1. Admissió (procés isobàric)
Durant la fase d'admissió, la vàlvula d'admissió s'obre i el pistó es mou cap avall al cilindre. Això permet que l'aire entri al cilindre.
En aquesta etapa, el procés és isobàric, ja que la pressió dins del cilindre es manté constant a la pressió atmosfèrica mentre el volum augmenta degut al moviment descendent del pistó. A diferència dels motors de gasolina, als motors dièsel només hi entra aire en aquesta fase, no una barreja d'aire i combustible.
2. Compressió (procés adiabàtic)
A la fase de compressió, la vàlvula d'admissió es tanca i el pistó es mou cap amunt, comprimint l'aire dins del cilindre.
Aquest procés augmenta significativament la temperatura i la pressió de l'aire a causa de l'alta relació de compressió del motor dièsel, cosa que no és un procés isobàric sinó adiabàtic, ja que la pressió canvia considerablement.
3. Combustió (procés isobàric i isocòric)
La fase de combustió en un motor dièsel s'inicia quan el pistó és a prop del punt més alt (punt mort superior). En aquest punt, s'injecta combustible dièsel finament atomitzat a l'aire comprimit.
A causa de l'alta temperatura de l'aire comprimit, el combustible s'encén espontàniament (autoignició). Aquí, la combustió es divideix en dues parts:
- Combustió inicial (procés isocòric): A l'inici, el combustible injectat es crema ràpidament, augmentant la temperatura i la pressió sense un canvi significatiu en el volum.
- Combustió d'expansió (procés isobàric): Després, s'injecta més combustible de manera controlada, cosa que manté la pressió constant mentre el volum augmenta a causa del moviment descendent del pistó. Aquest és un procés isobàric i és crucial per a leficiència del motor dièsel, ja que permet una expansió controlada del gas i un lliurament de potència més suau.
Fuga (procés isobàric)
A la fase d'escapament, la vàlvula d'escapament s'obre i el pistó es mou cap amunt novament, expulsant els gasos cremats fora del cilindre.
Similar a la fase d'admissió, la pressió al cilindre es manté relativament constant (a la pressió atmosfèrica) mentre el volum disminueix. Aquest és un altre procés isobàric.
Diferències entre els cicles Dièsel i Otto
Al cicle Otto, els processos isobàrics tenen lloc durant l'admissió i la fuita. Durant l'admissió, la barreja d'aire i combustible entra al cilindre a pressió constant, i durant la fuita els gasos cremats són expulsats a pressió constant. No hi ha un procés isobàric durant la combustió i expansió.
D'altra banda, al cicle dièsel, també hi ha processos isobàrics durant l'admissió i la fuita, però l'aire només és admès a l'admissió. En aquest cas, el cicle dièsel inclou un procés isobàric durant la combustió.
Després de l'autoignició del combustible, la combustió es fa a pressió constant mentre el pistó baixa, permetent una crema controlada i una expansió eficient dels gasos. Aquesta diferència en la fase de combustió contribueix a la major eficiència del motor dièsel comparat amb el motor de benzina del cicle Otto.