MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Un motor de combustión interna es un
tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía
química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión.
Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la máquina
en si misma, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.
Tipos principales
- Alternativos.
- El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina.
- El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo.
- La turbina de gas.
- El motor rotatorio.
Clasificación de los alternativos según el ciclo
- De dos tiempos (2T): efectúan una carrera útil de trabajo en cada giro
- De cuatro tiempos (4T) efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros.
Existen los diésel y gasolina tanto en 2T como en 4T.
Aplicaciones más corrientes
Las diferentes variantes de los dos ciclos tanto en diésel como en gasolina, tienen cada uno su ámbito de aplicación.
- 2T gasolina: tuvo gran aplicación en las motocicletas , motores de ultraligeros (ULM) y motores marinos fuera-borda hasta una cierta cilindrada, habiendo perdido mucho terreno en este campo por las normas anticontaminación. c) Además de en las cilindradas mínimas de ciclomotores y scooters (50cc) sólo motores muy pequeños como motosierras y pequeños grupos electrógenos siguen llevándolo.
- 4T gasolina: domina en las aplicaciones en motocicletas de todas las cilindradas, automóviles, aviación deportiva y fuera borda.
- 2T diésel: domina en las aplicaciones navales de gran potencia, hasta 100000 CV hoy día , tracción ferroviaria. En su día se usó en aviación con cierto éxito.
- 4T diésel: domina en el transporte terrestre , automóviles, aplicaciones navales hasta una cierta potencia. Empieza a aparecer en la aviación deportiva.
Historia
Los primeros motores de combustión interna
alternativos de gasolina que sentaron las bases de los que conocemos hoy
fueron construidos casi a la vez por Karl Benz y Gottlieb Daimler. Los
intentos anteriores de motores de combustión interna no tenían la fase
de compresión, sino que funcionaban con una mezcla de aire y combustible
aspirada o soplada dentro durante la primera parte del movimiento del
sistema. La distinción más significativa entre los motores de combustión
interna modernos y los diseños antiguos es el uso de la compresión.
Estructura y funcionamiento
Los motores Otto y los diésel tienen los
mismos elementos principales, (bloque, cigüeñal, biela, pistón, culata,
válvulas) y otros específicos de cada uno , como la bomba inyectora de
alta presión en los diésel, o antiguamente el carburador en los Otto.
En los 4T es muy frecuente designarlos mediante su tipo de distribución: SV, OHV, SOHC, DOHC. Es una referencia a la disposición del (o los) árbol de levas.
Cámara de combustión
La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón
muy ajustado al cilindro. La posición hacia dentro y hacia fuera del
pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y
las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por
una biela al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón.
En los motores de varios cilindros, el
cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y
conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro
se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los
cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor alternativo puede tener de 1 a 28 cilindros.
Sistema de alimentación
El sistema de alimentación de combustible de
un motor Otto consta de un depósito, una bomba de combustible y un
dispositivo dosificador de combustible . que vaporiza o atomiza el
combustible desde el estado líquido, en las proporciones correctas para
poder ser quemado. Se llama carburador al dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los motores Otto. Ahora los sistemas de inyección de combustible
lo han sustituido por completo por motivos medioambientales. Su mayor
precisión en el dosaje de combustible inyectado reduce las emisiones de
CO2, y aseguran una mezcla más estable. En los motores diésel se
dosifica el combustible gasoil
de manera no proporcional al aire que entra, sino en función del mando
de aceleración y el régimen motor (mecanismo de regulación) mediante una
bomba inyectora de combustible.
En los motores de varios cilindros el
combustible vaporizado se lleva los cilindros a través de un tubo
ramificado llamado colector de admisión. La mayor parte de los motores
cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta fuera
del vehículo y amortigua el ruido de los gases producidos en la
combustión.
Sistema de Distribución
Cada cilindro toma el combustible y expulsa
los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un
muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento
adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por
el cigüeñal, estando el conjunto coordinado mediante la cadena o la
correa de distribución. Ha habido otros diversos sistemas de
distribución, entre ellos la distribución por camisa corredera
(sleeve-valve).
Encendido
Los motores necesitan una forma de iniciar
la ignición del combustible dentro del cilindro. En los motores Otto, el
sistema de ignición consiste en un componente llamado bobina de encendido,
que es un auto-transformador de alto voltaje al que está conectado un
conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca
un impulso eléctrico de alto voltaje en el secundario. Dicho impulso
está sincronizado con la etapa de compresión de cada uno de los
cilindros; el impulso se lleva al cilindro correspondiente (aquel que
está comprimido en ese momento) utilizando un distribuidor rotativo y
unos cables de grafito que dirigen la descarga de alto voltaje a la
bujía. El dispositivo que produce la ignición es la bujía
que, fijado en cada cilindro, dispone de dos electrodos separados unos
milímetros, entre los cuales el impulso eléctrico produce una chispa,
que inflama el combustible.
Si la bobina está en mal estado se
sobrecalienta; esto produce pérdida de energía, aminora la chispa de las
bujías y causa fallos en el sistema de encendido del automóvil.
Refrigeración
Dado que la combustión produce calor, todos
los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración.
Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones y los motores
fueraborda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que
utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas
de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros
motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los
cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los
automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al
pasar por las láminas de un radiador. Es importante que el líquido que
se usa para enfriar el motor no sea agua común y corriente porque los
motores de combustión trabajan regularmente a temperaturas más altas que
la temperatura de ebullición del agua. Esto provoca una alta presión en
el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques y
sellos de agua así como en el radiador; se usa un refrigerante,
pues no hierve a la misma temperatura que el agua, sino a más alta
temperatura, y que tampoco se congela a temperaturas muy bajas.
Otra razón por la cual se debe usar un
refrigerante es que éste no produce sarro ni sedimentos que se adhieran a
las paredes del motor y del radiador formando una capa aislante que
disminuirá la capacidad de enfriamiento del sistema. En los motores
navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.
Sistema de arranque
Al contrario que los motores y las turbinas
de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de
fuerzas cuando arrancan (véase Momento de fuerza),
lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que
se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague
automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado,
algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una
cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del
cigüeñal.
Otros sistemas de encendido de motores son
los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un
motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover
el cigüeñal. Ciertos motores grandes utilizan iniciadores explosivos
que, mediante la explosión de un cartucho mueven una turbina acoplada al
motor y proporcionan el oxígeno necesario para alimentar las cámaras de
combustión en los primeros movimientos. Los iniciadores de inercia y
los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
Tipos de motores
Motor convencional del tipo Otto
El motor convencional del tipo Otto es de
cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas
hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos
(2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado
por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y
la refrigeración.
La termodinámica nos dice que el rendimiento
de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de
compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de
los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como
de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño
requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación,
que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o
rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la
cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
Funcionamiento
1. Tiempo de admisión - El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión
2. Tiempo de compresión - La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía .
3. Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
4. Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape
Motores diésel
En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo
Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen
constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de
los motores diésel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los
de tamaño muy grande, ferroviarios o marinos, que son de dos tiempos.
Las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.
En la primera carrera, la de admisión, el
pistón sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de
combustión. En la segunda carrera, la fase de compresión, en que el
pistón se acerca. el aire se comprime a una parte de su volumen
original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 °C. Al
final de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión
mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la
cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta
temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, la
combustión empuja el pistón hacia fuera, trasmitiendo la fuerza
longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza
de giro par motor. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto,
la fase de escape, cuando vuelve el pistón hacia dentro.
Algunos motores diésel utilizan un sistema
auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y
mientras alcanza la temperatura adecuada.
La eficiencia o rendimiento (proporción de
la energía del combustible que se transforma en trabajo y no se pierde
como calor) de los motores diésel dependen, de los mismos factores que
los motores Otto, es decir de las presiones (y por tanto de las
temperaturas) inicial y final de la fase de compresión. Por lo tanto es
mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. en los
grandes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este valor se logra
con un grado de compresión de 20 a 1 aproximadamente,contra 9 a 1 en los
Otto. Por ello es necesaria una mayor robustez, y los motores diésel
son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja
se compensa con el mayor rendimiento y el hecho de utilizar combustibles
más baratos.
Los motores diésel grandes de 2T suelen ser
motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por
minuto (rpm o r/min), mientras que los motores de 4T trabajan hasta
2.500 rpm (camiones y autobuses) y 5.000 rpm. (automóviles)
Motor de dos tiempos
Con un diseño adecuado puede conseguirse que
un motor Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de
potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de
este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos,
pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo,
producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos
tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de
combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los
tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El
diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas
de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos
al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la
mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio
de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del
cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se
enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A
continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de
explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases
salgan de la cámara.
Motor Wankel
En la década de 1950, el ingeniero alemán
Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna
con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel.
Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en
lugar de un pistón y un cilindro.
La mezcla de combustible y aire es absorbida
a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las
caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime
la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a
través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo
tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo
tres fases de potencia en cada giro.
El motor de Wankel es compacto y ligero en
comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia
durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además,
funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una
fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de
gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo
algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido
problemas de durabilidad.
Motor de carga estratificada
Una variante del motor de encendido con
bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las
emisiones sin necesidad de un sistema de recirculación de los gases
resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre.
La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara
principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficientemente baja
como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la
temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de
monóxido de carbono e hidrocarburos.
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