Diferències entre cicle pràctic i teòric d'un 4T

Quan es parla del funcionament d'un motor de quatre temps, se sol aclarir si s'està descrivint la seva cicle teòric o el seu cicle pràctic. Una diferència que cal tenir en compte perquè, mentre el teòric és una simplificació per explicar-ne el funcionament, el pràctic afegeix molts més factors físics que es donen a la realitat.

Si configuréssim la distribució d'un motor amb el cicle teòric, el més probable és que no pogués funcionar. En el cas de fer-ho, a més de tenir dificultats a l'arrencada, el seu rendiment seria molt pobre i el seu comportament molt inestable.

Cicle pràctic del motor de 4 temps

És per això que el cicle pràctic té en compte diversos factors i modifica el moment en què actuen els components del motor. Aquests factors que el diferencien del cicle teòric es poden sintetitzar en els punts següents:

• Les vàlvules no s'obren i tanquen completament de forma immediata, sinó que triguen un temps determinat
• La combustió de la barreja tampoc és immediata, sinó que triga a produir-se una mil·lèsimes de segon crucials per al funcionament del motor
• Els gasos tenen inèrcia, així que triguen a començar a moure's i continuen movent-se cert temps després d'actuar sobre ells

Per això, el moment en què s'obren i es tanquen les vàlvules o el moment de la combustió no és el que indica el cicle teòric. Vegem com és en realitat a les diferents fases del motor de quatre temps:

Fase d'admissió a la pràctica

Al contrari que en el cicle teòric, les vàlvules d'admissió no s'obren quan el pistó és al Punt Mort Superior (PMS). Com hem dit abans, les vàlvules triguen a obrir-se, així que, perquè estiguin completament obertes quan el pistó comença a baixar, es comencen a obrir quan el pistó encara està pujant. Si no es fes així, no entraria tot l'aire possible a la fase d'admissió i el motor perdria capacitats.

Després d'això, el pistó baixa fins al Punt Mort Inferior (PMI), moment en què el cicle teòric diu que es tanquen les vàlvules d'admissió, però això no és veritat a la pràctica. Encara no es tanquen perquè l'aire porta inèrcia i segueix entrant encara que el pistó comença a pujar.

Encara més, quan el motor gira a moltes revolucions, l'aire porta tanta velocitat que entra més quantitat quan el pistó ja puja, que quan estava baixant per succionar-lo.

Fase de compressió a la pràctica

Les vàlvules d'admissió es tanquen al moment òptim on ja no entra més aire (en algun moment de l'ascens del pistó). A partir d'aquí, la fase de compressió pròpiament dita comença, i el pistó continua pujant per comprimir l'aire.

Aquest és el moment en què entra en joc la injecció als motors d'injecció directa. Polvoritzen el combustible al cilindre perquè es barregi amb l'aire. Per això, a partir d'aquí ja no diem aire, sinó barreja, que segueix comprimint-se per part del pistó.

Als motors d'injecció indirecta l'aire que entra per l'admissió ja porta el combustible, que s'ha injectat prèviament al col·lector d'admissió.

Article relacionat:

Injecció indirecta i injecció directa

Fase de combustió a la pràctica

La combustió de la barreja es produeix quan el pistó encara està pujant. És a dir, abans que pugi fins al Punt Mort Superior (PMS). Això és així, perquè la barreja triga a cremar i, per tant, triga a produir una explosió completament aprofitable. Si es prengués la barreja al PMS, el pistó ja baixaria quan els gasos s'expandissin. Per tant, no s'aprofiten bé per empènyer el pistó cap avall.

Això es diu avenç d'encesa y, com més ràpid gira el motor, més cal anticipar la combustió de la barreja. En cas contrari, l'explosió arribaria cada cop més tard a empènyer el pistó cap avall, cosa que produiria una enorme pèrdua d'eficàcia. D'això se n'encarrega el sistema d'injecció electrònic dels cotxes actuals. Els antics tenien sistemes d'avenç mecànics que funcionaven per buit, per força centrífuga.

Fase d'escapament a la pràctica

Les vàlvules d'escapament s'obren quan el pistó encara baixa. En concret quan l'explosió ja s'ha aprofitat adequadament i ja no es perdrà energia cinètica obrint les vàlvules. D'aquesta manera, quan el pistó passa el PMI i comença a pujar, les vàlvules estan completament obertes per deixar sortir els gasos d'escapament.

El pistó continua pujant fins al PMS per empènyer els gasos fora, però es torna a tenir en compte la inèrcia dels gasos. Per això, les vàlvules d'escapament no es tanquen en aquell moment, sinó que es queden obertes una mica més mentre el pistó ja baixa.

Aquí hi ha un detall important que cal assenyalar: en aquest moment la fase d'escapament i la fase admissió conviuen. Si us fixeu en la primera fase (Fase d'admissió a la pràctica), l'obertura de les vàlvules d'admissió s'anticipa quan el pistó encara està pujant (Fase d'escapament a la pràctica). Així que hi ha un moment en què les vàlvules d'admissió i d'escapament estan obertes alhora, moment que s'anomena encreuament de vàlvules.

Si els gasos d'escapament no surten per les vàlvules d'admissió és perquè porten inèrcia per sortir per les d'escapament. És més, l'aire o la barreja que entra ajuda a sortir als fums de la combustió ocupant el seu espai.

Els graus d'avenç del cicle pràctic

Com veieu, el cicle pràctic és ple d'avenços en l'obertura de les vàlvules o de l'encesa. Fins i tot, també té retard al tancament per aprofitar la veta dels gasos amb inèrcia perquè segueixin entrant (o sortint).

Tots aquests avenços es mesuren i es regulen en els graus de gir que fa el cigonyal. Tot depèn del motor, però hi ha un rang de graus habitual per a cada component del motor. Aquests són:

• El Avanç d'obertura d'admissió (AAA): l'obertura de les vàlvules d'admissió se sol fer entre els 10 i 25 abans del PMS.
• El Retard de Tancament d'Admissió (RCA): es tanquen entre els 20º i els 45º després del PMI, per deixar entrar tot l'aire possible que segueix passant per inèrcia.
• El Avanç d'obertura d'escapament (AAE): més exagerat és l'avenç d'obertura de les vàlvules d'escapament que s'obren entre els 30 i 60 abans del PMI.
• El Retard de Tancament d'escapament (RCE): es tanquen entre els 10º i els 20º després del PMS per aprofitar la seva inèrcia de sortida i que els acabin d'empènyer l'aire o la barreja de l'admissió.
• La injecció de combustible es fa entre els 7è a 26è abans del PMS (als motors d'injecció directa). Això no és un avenç en si, però ho esmentem perquè està calibrat segons l'avenç d'encesa.
• El Avanç d'encesa (AE): lògicament l'avenç d'encesa és una mica després de la injecció de combustible. Als gasolina es tracta d'avançar l'espurna de la bugia. Una manera daconseguir un efecte semblant en els motors dièsel és amb laugment de relació de compressió. Com que el gasoil s'inflama per la pressió i la calor de la cambra de combustió, augmentar la compressió avança l'encesa de la barreja.

El cicle pràctic als motors d'admissió variable

Els motors de distribució variable són capaços de modificar àmpliament el moment d'obertura i tancament de les vàlvules. Així es poden adaptar millor a les necessitats que imposen les revolucions del motor i les condicions atmosfèriques.

Quan el motor gira a 1.000 rpm, no necessita la mateixa obertura de vàlvules d'admissió que 6.000 rpm. Per això, quan pugen les revolucions poden modificar la distribució del motor perquè es mantinguin obertes més.

Veuràs que a molts llocs s'explica això dient que «manté obertes les vàlvules més temps», però, és fàcil entendre això malament. El motor gira a molta més velocitat, així que el temps que s'obren les vàlvules pot ser fins i tot menor encara que se'n modifiqui la distribució. En realitat una manera més exacta d'expressar-ho és que les vàlvules es mantenen obertes més graus de gir del cigonyal. El que no és el mateix que mantenir obertes més temps.

Si voleu saber més sobre aquest tipus de motors us recomanem l'article Distribució variable: què és i quina és la seva funció.

El cicle teòric dels motors de quatre temps

Recordarem breument com és el cicle teòric d'aquests motors, perquè es vegi clara la diferència amb el cicle pràctic. Recordem que és una simplificació teòrica que intenta explicar el funcionament del motor. Així que només se sol fer servir amb fins didàctics que senten una base, per després entendre bé el cicle pràctic. Les fases del cicle teòric resumides són:

• admissió: el Pistó és al PMS, s'obren les vàlvules i el pistó baixa fins al PMI
• compressió: les vàlvules d'admissió es tanquen, el pistó puja des del PMI al PMS per comprimir l'aire, s'injecta el combustible en el procés.
• Expansió: quan el pistó és al PMS es detona la barreja amb la bugia i l'explosió empeny el pistó una altra vegada el PMI
• Escapar: s'obren les vàlvules d'escapament i el pistó puja del PMI al PMS per treure'n els gasos. Quan arriba a dalt, es tanquen les vàlvules.

Com veus, queden fora tots els avenços i retards de les vàlvules i de l'encesa, per la qual cosa no té res a veure amb el que necessita un motor per funcionar en la pràctica.

En el que sí que notem les diferències, és en els temps que romanen obertes les diferents vàlvules del sistema.

Aquestes velocitats són modificades per la barreja carburada i la quantitat de gas cremat, generalment molt baixes, que en el cicle teòric només es contemplen «situacions ideals» (una cosa molt semblant a la Física elemental)

Aquestes velocitats, en canvi, són proporcionals al règim de gir, cosa que amb l'evolució de la tecnologia ia la recerca d'aconseguir potències el més superiors possibles ha quedat completament obsolet.

Un altre dels detalls que hem de tenir en compte és que un gas en desplaçar-se a alta velocitat interactua amb diverses resistències o forces de fregament que generen una lentitud davant un canvi de velocitat, generant una pèrdua de pressió i una altra sèrie de fenòmens que al cicle teòric no són tinguts en compte.

D'aquesta manera, i en funció de la quantitat de mescla carburada, s'obté la potència de l'motor, Generant una major quantitat de gas aspirat, més massa reaccionària i més feina.