Barne-errekuntzako motor

Burdin bloke finko baten barruan, zilindro itxurako zulo batzuk daude bakoitzaren barruan atzera eta aurrera doan pistoi batekin. Pistoiaren mugimendu lineala, biela baten bidez, errotazio mugimendua bilakatzen da, eta hori birabarki-ardatzera bideratzen da energia mekaniko birakaria lortuz.

Pistoiaren mugimendua eragiteko, erregaia airearekin nahasita, blokeko zilindroetan sartzen da sarrera balbuletatik errekuntza ganberara. Bertan, erregaia konprimatu egiten da, eta, jarraian, errekuntza gertatzen da; leherketaren ondorioz sortzen den presio altuak pistoia bultzatu egiten du, eta, ondoren, errekuntzan sortutako gasak (CO₂ eta H₂O gehien bat) irteerako balbulatik ateratzen dira.

Errekuntza ganbera osatzen dute: burdinazko bloke finkoaren barruan dagoen zilindro zulo batek, zuloaren barruan mugitzen diren pistoiak eta blokea ixteko kulatak; kulatan, irteera eta sarrera balbulak daude. Errekuntza-leherketako presio altuak hausteko, eraztun berezi batzuk ezartzen dira pistoian, ganberaren estankotasuna bermatu eta elementuen arteko marruskadura gutxitzeko.

Errekuntza ganberan, erregaia eta airea nahastuta sartzeaz arduratzen den sistema da.

Errekuntza ganberako balbulen kudeaketa daraman sistema mekanikoa da, birabarki-ardatzaren bitartez sinkronizatuta. Balbulak malguki indartsu bati esker itxita egoten dira, eta banaketa sistemak agintzen die zilindro bakoitzean erregaia noiz sartu eta errekuntzako gasak noiz atera.

Gasolinazko motorretan, erregaiaren leherketa txinparta elektriko baten bidez lortzen da. Txinparta hori buxiaren bidez lortzen da, eta birabarki-ardatzaren bitartez sinkronizatzen da txinparta momentu egokian sortzeko.

Errekuntza ganberan sortzen den tenperatura altua dela eta, burdinazko blokeko zilindroa inguratuz, hozte sistema bat jartzen da, barruko elementuak gehiegi berotu eta hondatzea galarazteko. Sistema horiek, normalean, likido hozgarri berezi bat erabiltzen dute, ura baino tenperatura altuagoan irakiten duena eta zero azpiko tenperaturak izoztu gabe eusten dituena.

Barne errekuntzako motorrek biraka hasi arte ez dute birabarki-ardatza mugitzeko indarrik; ardatzaren inertzia beharrezkoa da indar hori sortzeko; beraz, mugimendua hasteko, motor elektriko bat akoplatzen da ardatzera biraketa abiarazteko.

Erregai moderno arruntenak hidrokarburoz osatuta daude, eta erregai fosiletatik (petrolioa) datoz, batez ere. Erregai fosilen artean, gasolioa, gasolina eta petrolio-gasa daude, baita propanoaren erabilera urriagoa ere. Erregaiak banatzeko osagaiak izan ezik, gasolina erabiltzeko diseinatuta dauden barne-errekuntzako motor gehienak gas naturalaren edo petrolio-gas likidotuekin ibil daitezke aldaketa handirik gabe. Diesel-motor handiek ibil daitezke gasekin nahasitako airearekin eta gasolioa pizteko injekzio pilotu batekin. Halaber, bioerregai likido eta gaseosoak ere erabil daitezke, hala nola etanola eta biodiesela (triglizeridoak ematen dituzten uztetatik sortzen den gasolio mota bat, hala nola soja olioa). Aldaketa egokiak dituzten motorrak hidrogeno gasarekin, egur gasarekin edo ikatz gasarekin ere ibil daitezke, baita beste biomasa egoki batekin egindako gas ekoizle deiturikoarekin ere. Erregai solido hautseztatuak erabiliz ere egin dira esperimentuak, magnesioa injektatzeko zikloaz, adibidez.

Gaur egun erabilitako erregaiak dira:

• Petrolioa
  • Gasolina
  • Gasolioa
  • Petrolio gas likidotua (PGL)
  • Konprimatutako gas naturala (KGN)
  • Hegazkintzako erregaia
  • Fuel olioa
• Harrikatza
  • Gasolina karbonoz (harrikatzez) egin daiteke Fischer–Tropsch prozesua erabiliz.
  • Gasolioa karbonoz egin daiteke Fischer-Tropsch prozesuaren bidez.
• Bioerregaiak eta landare-olioak:
  • Kakahuete-olioa eta beste landare-olio batzuk.
  • Egur-gasa, egur solidoa erregai gisa erabiltzen duen egurrezko gasifikatzaile batetik.
  • Bioerregaiak
    • Biobutanola (gasolina ordezkatzen du).
    • Biodiesela (petrodiesela ordezkatzen du).
    • Eter dimetilikoa (petrodiesela ordezkatzen du).
    • Bioetanola eta Biometanola (egurrezko alkohola) eta beste bioerregai batzuk (ikus Erregai malguko ibilgailua).
    • Biogasa
• Hidrogenoa (batez ere espazio-ontzien suziri-motorrak)

Metalezko hauts likidotuak eta lehergailuak ere erabili izan dira. Erregaietarako gasak erabiltzen dituzten motorrei, gas-motorrak esaten zaie, eta hidrokarburo likidoak erabiltzen dituztenei petrolio-motorrak; hala ere, gasolina motorrei gasolina-motorrak ere esaten zaie.

Erregaien muga nagusiak dira: erregai-sistemaren bidez erraz garraiatu behar dela errekuntza-ganberara eta erregaiak behar adina energia askatzen duela errekuntzan, bero moduan, motorra modu praktikoan erabiltzeko.

Diesel-motorrak astunagoak, zaratatsuagoak eta indartsuagoak izaten dira gasolina-motorrak baino. Era berean, erregai eraginkorragoa dute egoera gehienetan, eta errepideko ibilgailu astunetan erabiltzen dira, automobil batzuetan (gero eta gehiago, gasolina motorrak baino erregai eraginkortasun handiagoa dutelako), itsasontzietan, tren-lokomotoretan eta hegazkin arinetan. Gasolina motorrak, berriz, errepideko beste ibilgailu gehienetan erabiltzen dira, auto eta motozikleta gehienak barne. Kontuan izan, Europan, diesela duten auto sofistikatuek merkatuaren % 45 hartu dutela 1990eko hamarkadatik. Hidrogenoa, metanola, etanola, petrolio-gas likidotua (PGL), biodiesela, parafina eta trakzio-lurruneztatzailea erabiltzen dituzten motorrak ere badaude.

Hidrogenoak ohiko erregai fosilak ordeztu ditzake ohiko barne-errekuntzako motorretan. Aldizka, erregai-pilen teknologia letorke agindutakoa betetzera, eta barne-errekuntzako motorren erabilera pixkanaka desagertu ere egin daiteke.

Hidrogeno askea ekoizteko modu asko dauden arren, metodo horiek molekula-errekorrak hidrogeno bihurtzea edo energia elektrikoa kontsumitzea eskatzen dute. Elektrizitate hori iturri berriztagarrietatik sortzen ez bada —eta beste helburu batzuetarako eskatzen ez bada—, hidrogenoak ez du energia-krisirik konpontzen. Egoera askotan, karbono erregaienganako hidrogenoaren desabantaila, biltegiratzea da. Hidrogeno likidoak dentsitate oso baxua du (ura baino 14 aldiz txikiagoa) eta isolamendu zabala behar du, hidrogeno gaseosoak biltegi astuna behar duen bitartean. Likidotuta ere, hidrogenoak energia espezifiko handiagoa du, baina biltegiratze energetiko bolumetrikoa gasolina baino bost aldiz txikiagoa da. Hidrogenoaren energia, hala ere, dentsitatea pila elektrikoena baino dezente handiagoa da, eta, beraz, energia garraiolari serioa da erregai fosilak ordezkatzeko. Hidrogenoa eskarian prozesuak hidrogenoa beharren arabera sortzen du, baina beste arazo batzuk ere baditu, hala nola sodio borohidridoaren prezio altua, horixe baita lehengaia.

Zilindro bakarreko gasolina motorra.

Lurrazalean airea ugari dagoenez, oxidatzailea oxigeno atmosferikoa izan ohi da, eta horrek abantaila bat du: ibilgailuan biltegiratzea ez behar izatea. Horrek handitu egiten ditu potentzia-pisuaren eta potentzia-bolumenaren proportzioak. Beste material batzuk helburu berezietarako erabiltzen dira, askotan energia gehiago ateratzeko edo urpean edo espazioan funtzionatzen uzteko.

• Aire konprimatua torpedoetan erabili ohi da[18].
• Oxigeno konprimatua eta aire konprimatua Japoniako 93 motako torpedoan erabili ziren. Itsaspeko batzuek oxigeno garbia daramate. Suziriek oxigeno likidoa erabiltzen dute[19].
• Nitrometanoa, izan ere, lasterketa eta ereduzko erregai batzuei gehitzen zaie potentzia handitzeko eta errekuntza kontrolatzeko.
• Oxido nitrosoa erabili izan da —gasolina gehituta— aireontzi taktikoetan, eta bereziki hornitutako autoetan, bestela gasolina eta airearekin ibiltzen diren motorren potentzia erantsiaren abiadura laburrak ahalbidetzeko. Burt Rutan espaziontzian ere erabiltzen da.
• Hidrogeno peroxidoaren potentzia garatzen ari zen Bigarren Mundu Gerrako Alemaniako itsaspekoentzat. Baliteke itsaspeko ez nuklear batzuetan, eta, suziri motorretan, erabili izana (Gezi Beltzan eta Messerschmitt Me 163 suziri-borrokalarian, besteak beste).
• Beste produktu kimiko batzuk, hala nola kloroa edo fluorra, esperimentalki erabili izan dira, baina ez dira praktikoak izan.

4 denborako Otto motor eraikitzaile eta termodinamikoa.

Erregaia zilindro baten barruan injektatu eta gasarekin (normalean airea edo oxigenoa) nahasten da. 1 gramo gasolinaren errekuntza osoa 14,8 gramo airerekin nahasiko litzateke teorikoki, baina, bi elementuen nahasketa guztiz homogeneoa sortzea ezinezkoa denez, behar baino % 10 aire gehiago sartu ohi da (pisu erlazioa 1/16).

Otto motako motor konbentzionala lau denborakoa da. Otto motor modernoen eraginkortasuna hainbat faktorek mugatzen dute, besteak beste, marruskadura eta hoztearen bidezko energia galera.

Orokorrean, halako motor baten eraginkortasuna konpresio-mailaren araberakoa da. Ratio hori izan ohi da 8tik 1era edo 10etik 1era Otto motor moderno gehienetan. Ratio altuagoak erabil daitezke, adibidez, 12tik 1era, eta, horrela, motorraren eraginkortasuna areagotzen da, baina diseinu horrek oktano handiko erregaiak erabiltzea eskatzen du.

Behin zilindroan sartuta, nahasketa konprimatu egiten da. Konpresio maximoko puntura iristean, (goiko puntu hila edo GPH) buxiak sortutako txinparta bat saltarazten du, eta horrek erregaiaren eztanda sortzen du. Zilindroak barne hartzen dituen gasak zilindroaren barnean irristatzen den pistoi bat bultzatuz zabaltzen dira (teorikoki gasen hedapen adiabatikoa). Leherketa horretan askatzen den energia pistoiaren mugimendu linealean bihurtzen da, eta, biela baten eta birabarkiaren bidez, mugimendu-birakarian bihurtzen da. Biraketa-mugimendu horren inertziak esan nahi du motorra ez dela gelditzen eta pistoiak gasa bultzatzen duela berriro, dagokion balbulatik kanporatuz, orain irekita. Azkenik, pistoia atzera egiten du, berriro erregai nahasketa berri bat sartzeko aukera emanez.

Otto motor on baten batez besteko efizientzia % 20 eta 25 artekoa da: errekuntzan sortzen den bero-energiaren laurdena baino ez da energia mekaniko bihurtzen.

Teorian, dieselaren zikloa Otto ziklotik desberdina da, azken horretan, errekuntza bolumen konstantean gertatzen baita presio konstantean gertatu beharrean. Diesel-motor gehienek ere lau denbora dituzte, nahiz eta faseak gasolina-motorretakoen aldean desberdinak diren.

Lehenengo fasean, airea errekuntza-ganberan sartzen da. Bigarren fasean, konpresio fasean, airea jatorrizko bolumenaren zati batera konprimatzen da, eta 440 °C ingurura berotzen da. Konpresio-fasearen amaieran, lurrundutako erregaia errekuntza-ganberan injektatzen da, airearen tenperatura altuagatik piztea eraginez. Hirugarren fasean, potentzia fasean, errekuntzak pistoia atzera botatzen du, energia-birabarkiari transmitituz. Laugarren fasea, Otto motorretan bezala, kanporatze fasea da.

Diesel motor batzuek pizte-sistema osagarri bat erabiltzen dute erregaia pizteko, motorra abiarazteko eta tenperatura egokira iristen den bitartean.

Diesel motorren eraginkortasuna, orokorrean, Otto motorren faktore berberen araberakoa da, eta gasolinazko motorrarena baino handiagoa da; % 40tik gorakoa da. Balio hori 14tik 1erako konpresio-erlazioarekin lortzen da, eta sendotasun handiagoa beharrezkoa da; diesel motorrak, oro har, Otto motorrak baino astunagoak dira. Eragozpen hori, jada, eraginkortasun handiagoarekin eta erregai merkeagoak erabiltzearekin konpentsatzen da.

Diesel motorrak motor motelak izan ohi dira, 100 eta 750 bira minutuko (b/min) bitarteko birabarkiaren abiadura dutenak, eta Otto motorrak 2.500 eta 5.000 b/min bitartean funtzionatzen dute. Dena den, orain arte, diesel motor batzuek gasolina-motorren antzeko abiaduran funtzionatzen dute, baina, oro har, desplazamendu handiagoak dituzte, gasolioaren eraginkortasun txikia dela eta, gasolinarekin alderatuta.

Motor erdidiesela.
1 Errekuntza aurre-ganbera.
2 Zilindroa.
3 Pistoia.
4 Karter

Kulata beroa ere deitzen zaio. Diesel ziklodun motorra, baina bi denborako motorra da; hau da, zilindroak zuloak ditu (espiralak), eta, horietan, erretako gasen miaketa eta zilindroa betetzea aire konprimatuarekin egiten da, bai karteran aurrekonpresioaren bidez (zilindro bakarreko motorra), bai aireratzeko ere balio duen kanpoko depositu batetik. Normalean, motor motela izan ohi da, eta instalazio finkoetan, itsasontzietan eta abarretan erabiltzen zen. Zilindro anitzeko motorretan, pistoietako bat aire garbitzeko konpresore bat da.

Iraganean, ABC eta Heinz moduko enpresek fabrikatzen zuten eta Lanz traktoreak erabiltzen zuten. Eskandinaviako herrialdeetan ere, lantegi asko zeuden, nabarmenenetako bat Bolinder izan zen.

Diseinu egokiarekin, Otto edo diesel motor bat bi denboratan ibiltzeko egin daiteke, potentzia-denbora lau fasean ordez bi fasetan eginez. Motor mota horren eraginkortasuna lau denborako motorrarena baino baxuagoa da, baina, ziklo oso bat egiteko, bi denbora bakarrik behar direnez, tamaina bereko (zilindro-bolumena) eta birabarkiaren biraketa-abiadura berean funtzionatzen duen lau denborako motor batek baino potentzia handiagoa sortzen du.

Bi denborako motorraren printzipio orokorra da erregaia xurgatzeko eta gasak kanporatzeko denboren iraupena denbora-tarte batera murriztea eragiketa bakoitzak denbora osoa behar izan beharrean. Bi denborako motorraren diseinu sinpleenak, buru-balbulen ordez, balbula irristakorrak edo zuloak erabiltzen ditu (pistoia atzerantz mugitzean irekita geratzen direnak). Bi denborako motorretan erregaia eta airea nahastean, zilindroan sartzen da xurgapen-zulotik, pistoia beheko puntu hiletik hurbilen dagoen posizioan dagoenean, aurrez konprimatua izan delako. Lehen fasea konpresioa da, non pistoia fasearen amaierara iristen denean nahasketa-karga pizten den. Jarraian, pistoia atzerantz mugitzen da leherketa-fasean; beheko puntu hilera iritsi baino lehentxeago, kanporatze-zuloa irekitzen da, eta gasak ganberatik ateratzeko aukera ematen du.

Wankel motorra

1950eko hamarkadan, Felix Wankel ingeniari alemaniarrak diseinu iraultzailea zuen barne-errekuntzako motor baten garapena burutu zuen, gaur egun Wankel motorra deritzona. Ganbera obalo baten barruan, errotore triangeluar-lobular bat erabiltzen du pistoi eta zilindro baten ordez.

Erregai/aire nahasketa xurgatze-zulo batetik sartzen da, eta, errotorearen aurpegietako baten eta ganberako hormaren artean, harrapatuta geratzen da. Errotorearen biraketak nahasketa konprimatzen du, eta txinparta batek pizten du. Gasak jaurtiketa-zulo batetik kanporatzen dira errotorearen mugimenduarekin. Zikloa behin garatzen da errotorearen aurpegi bakoitzean, eta, bira bakoitzean, hiru potentzia-fase sortzen ditu.

Wankel motorra trinkoa eta arina da pistoi motorrekin alderatuta; horregatik, 1970eko eta 1980ko hamarkadetako petrolioaren krisian, garrantzia hartu zuen. Gainera, ia bibraziorik gabe funtzionatzen du, eta bere sinpletasun mekanikoak fabrikazio merkea ahalbidetzen du. Ez du hozte handirik behar, eta bere grabitate-zentro baxuak gidatzeko segurtasuna areagotzen du. Hala ere, adibide praktiko batzuk izan ezik, hala nola Mazda ibilgailu batzuetan, iraunkortasun arazoak izan ditu.

Txinparta pizteko motorren aldaera bat karga estratifikatuko motorra da, errekuntzako gasak birzirkulatzeko sistemarik behar gabe eta katalizatzailerik erabili gabe isuriak murrizteko diseinatua. Diseinu horren gakoa da zilindro bakoitzaren barruan errekuntza-ganbera bikoitza izatea, erregaiaren eta airearen nahasketa aberatsa duen aurre-ganbera batekin, ganbera nagusiak nahasketa gihar bat duen bitartean. Buxiak nahasketa aberatsa pizten du, eta horrek ganbera nagusia pizten du. Lortzen den tenperatura maximoa nahikoa da nitrogeno oxidoak sortzea saihesteko, eta batez besteko tenperatura nahikoa da karbono monoxidoaren eta hidrokarburoen isurketak mugatzeko.

Barne-errekuntzako motorrek, hala nola aldizkako barne-errekuntzako motorrek, Airearen kutsadura-emisioak sortzen dituzte bukatugabeko karbonodun erregaien errekuntzaren ondorioz. Prozesuaren deribatu nagusiak dira: karbono dioxidoa CO₂, ura eta kedar pixka bat —materia partikula esekia ere deitua. Gizakiengan eta animaliengan, partikulen materia arnastearen ondorioak aztertu dira: asma, biriketako minbizia, arazo kardiobaskularrak eta heriotza goiztiarra barne. Hala ere, badira errekuntza-prozesuko produktu gehigarri batzuk dituztenak funtzionamendu-baldintzen eta fuel-aire erlazioaren arabera: nitrogeno oxidoak eta sufrea eta errekuntzarik gabeko hidrokarburo batzuk.

Barne-errekuntzako motorren karbono dioxidoaren emisioak gizakiak eragindako klima-aldaketari laguntzen diote. Motorraren erregaiaren eraginkortasuna handitzeak CO₂-ren eragina murriztu dezake, baina ez ezabatu, karbonoan oinarritutako erregaien errekuntzak CO₂ sortzen duen heinean. CO₂ motorraren ihesetik kentzea ezinezkoa denez, gero eta interes handiagoa dago alternatibetan. Esaterako, erregai jasangarriak, bioerregaiak, erregai sintetikoak eta bateriek bultzatutako motor elektrikoak dira adibide.

Errekuntza-prozesuak ez du erregai guztia kontsumitzen. Erregai kopuru txiki bat gelditzen da errekuntzaren ondoren, eta horietako batzuk oxigenatuak sortzeko erreakzionatzen dute, hala nola formaldehidoa edo azetaldehidoa edo jatorrian erregai nahasketan ez zeuden hidrokarburoak. Errekuntza osatugabea, erlazio estekiometria perfektua lortzeko, oxigeno gutxiegitik sortzen da. Sugarra itzali egiten da zilindro hotz samarreko hormen bidez, eta erregaia, ihes-hoditik, atzean uzten da erreakzionatu gabe. Abiadura txikiagoan doanean, hoztea gas naturalez ibiltzen diren diesel motorretan (konpresioz piztea) ikusi ohi da. Hozteak eraginkortasuna murrizten du, eta kolpeak areagotzen ditu, motorra geldiaraziz batzuetan. Errekuntza ez-osoak karbono monoxidoa (CO) sortzen du. Isuritako beste produktu kimiko batzuk bentzenoa eta 1,3 butadienoa dira, eta horiek ere kutsatzaile atmosferiko arriskutsuak dira.

Motorraren aire kantitatea handitzeak errekuntza-produktu osatugabeen emisioak murrizten ditu, baina, airean, oxigenoaren eta nitrogenoaren arteko erreakzioa ere sustatzen du nitrogeno oxidoak (NO_x) sortzeko. NO_x arriskutsua da landareen eta animalien osasunerako, eta ozonoa sortzen du (O₃). Ozonoa ez da zuzenean isurtzen; aitzitik, airearen bigarren mailako kutsatzailea da, atmosferan NO_x-ren erreakzioak eta konposatu organiko lurrunkorrak sortua eguzkiaren argiaren aurrean. Ozono troposferikoa kaltegarria da giza osasunerako eta ingurumenerako. Nahiz eta substantzia kimiko bera den, ozono troposferikoa ez da nahastu behar ozono estratosferiko edo ozono geruzarekin, zeinak Lurra izpi ultramore kaltegarrietatik babesten duen.

Sufrea duten karbono-erregaiek sufre monoxidoak (SO) eta sufre dioxidoa (SO₂) sortzen dituzte, euri azidoa eraginez.

Goian deskribatutako kutsatzaileentzat (nitrogeno oxidoak, karbono monoxidoa, sufre dioxidoa eta ozonoa), badaude legedian ezarritako maila onargarriak, eta ez da inolako eragin kaltegarririk ikusi ezta populazio talde sentikorretan ere. Beste hirurentzat (bentzenoa, 1,3-butadienoa eta partikulak), berriz, ezin da frogatu seguruak direnik, eta adituek estandarrak ezartzen dituzte osasunerako arriskua oso txikia denean.

Azkenik, barne-errekuntzako motorrek ekarpen esanguratsuak egiten dizkiote kutsadura akustikoari. Autobide eta kaleetatik zirkulatzen duten automobil eta kamioiek zarata sortzen dute, baita hegazkinen hegaldiek ere erreaktoreek eraginda, bereziki hegazkin supersonikoek. Suziri-motorrek sortzen dute zarata handiena.