El motor de combustión interna
Se denomina así al motor que transforma la energía térmica en energía mecánica, mediante la combustión de una mezcla de aire y carburante que se quema interiormente generando un trabajo mecánico.
Los motores térmicos de combustión interna empleados en automoción deben reunir una serie de cualidades:
- Buen rendimiento, es decir, que transforme en trabajo buena parte de la energía que produce la combustión.
- Bajo consumo en relación a su potencia. - Gases de escape poco contaminantes
- Fiabilidad y durabilidad
- Bajo coste de fabricación y mantenimiento.
El motor de combustión interna fue diseñado a finales del siglo XIX. Su funcionamiento es, en algunos aspectos, similar al de la máquina de vapor: un pistón situado en un cilindro se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El líquido introducido dentro del cilindro es un derivado del petróleo al que, a continuación, se prende fuego. Al estar sometido a presión, el combustible no arde normalmente, sino que estalla. Esta explosión empuja el pistón hacia afuera, ejerciendo un trabajo. Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimir para empezar de nuevo el ciclo.
Los motores comerciales se fabrican con varios cilindros, ya que este sistema permite obtener más potencia y ofrece menos problemas que los que plantea un motor provisto de un único cilindro de mayor tamaño. En este dispositivo, la posición de los cilindros se calcula para que, en un momento dado, cada uno se halle en un ciclo distinto, uno en admisión, otro en compresión, otro en explosión y otro en escape. De este modo, se obtiene un funcionamiento más estable, sin vibraciones, y en el que cada cilindro, al hacer explosión, ayuda a los demás a moverse.
Los cilindros de un motor pueden estar dispuestos de varias formas, siempre en relación con su número y con las dimensiones del vehículo que deban impulsar. En el motor de los automóviles, se colocan generalmente en línea, si van todos paralelos; en y, si la mitad se halla inclinada en un pequeño ángulo con respecto a la otra mitad; y en Boxer o contrapuestos, si unos se encuentran enfrentados a los otros.
El motor de combustión interna ha sustituido a la gran mayoría de máquinas de vapor debido a sus considerables ventajas. En primer lugar, el aprovechamiento de la energía es mayor. El origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en el exterior como en la máquina de vapor. Por otra parte, no es necesario cargar con grandes cantidades de agua. Los vapores empleados son los propios del combustible al explosionar. El tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita su instalación en vehículos pequeños. Por último, este motor es capaz de realizar en poco tiempo una gran variación de energía, comparado con la máquina de vapor. Un motor de combustión interna ligero puede pasar en pocos segundos de una posición de reposo a otra en la que proporcione la máxima energía, tardando sólo unos minutos en sistemas de grandes dimensiones, como los barcos. Esta característica lo convierte en el mecanismo ideal para aplicaciones con cambios frecuentes de energía, como puede ser el motor de un automóvil, un tren o un barco.
Clasificación de motores de combustión interna
Existen distintos criterios para clasificar los motores de combustión interna: según el combustible utilizado, el número y la disposición de los Cilindros, el tipo y la colocación de las válvulas o el sistema de enfriamiento empleado. La clasificación más frecuente se basa en el tipo de ciclo, es decir, en el número de tiempos por ciclo (entendiendo por tiempo una carrera hacia arriba o hacia abajo del émbolo a lo largo del cilindro).
En el denominado motor de explosión de cuatro tiempos, en cada ciclo de motor (llamado ciclo de Otto) se suceden cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape).
En el denominado motor de dos tiempos, cada ciclo de motor consta de sólo dos tiempos, combinándose en uno la admisión y la compresión y en el otro la expulsión y el escape. Estos motores se emplean con gasolina.
Funcionamiento del motor de explosión de cuatro tiempos
El motor de explosión de cuatro tiempos es utilizado en la mayor parte de los automóviles. En su funcionamiento se suceden cuatro tiempos o fases distintas, que se repiten continuamente mientras opera el motor. A cada uno de estos tiempos le corresponde una carrera del pistón y, por tanto, media vuelta del cigüeñal.
En el primer tiempo, llamado de admisión, el pistón se encuentra en el punto muerto superior y empieza a bajar. En ese instante se abre la válvula de admisión, permaneciendo cerrada ¡a de escape. Al ir girando el cigüeñal, el codo va ocupando distintos puntos de su recorrido giratorio, y, por medio de la biela, hace que el pistón vaya bajando y provocando una succión en el carburador a través del conducto que ha abierto la válvula de admisión, arrastrando una cantidad de aire y gasolina, que se mezclan y pulverizan en el carburador. Estos gases van llenando el espacio vacío que deja el pistón al bajar. Cuando ha llegado al punto muerto inferior, se cierra la válvula de admisión y los gases quedan encerrados en el interior del cilindro. Durante este recorrido del pistón, el cigüeñal ha girado media vuelta.
Al comenzar el segundo tiempo, llamado de compresión, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior y las dos válvulas están cerradas. El cigüeñal sigue girando y, por tanto, la biela empuja al pistón, que sube. Los gases que hay en el interior del cilindro van ocupando un espacio cada vez más reducido a medida que el pistón se acerca al punto muerto superior. Cuando alcanza este nivel, ¡os gases ocupan el espacio de la cámara de compresión y, por tanto, están comprimidos y calientes por efecto de la compresión. Al elevarse la temperatura, se consigue ¡a vaporización de ¡a gasolina y la mezcla se hace más homogénea, por lo que existe un contacto más próximo entre la gasolina y el aire. Durante esta nueva carrera del pistón, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.
El tercer tiempo es el llamado de explosión. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior después de acabada la carrera de compresión, salta una chispa en la bujía, que inflama la mezcla de aire y gasolina ya comprimida y caliente, la cual se quema rápidamente. Esta combustión rápida recibe el nombre de explosión y provoca una expansión de los gases ya quemados, que ejercen una fuerte presión sobre el pistón, empujándolo desde el punto muerto superior hasta el inferior. A medida que el pistón se acerca al punto muerto inferior, la presión va siendo menor, al ocupar los gases un mayor espacio. En este nuevo tiempo, el pistón ha recibido un fuerte impulso, que transmite al cigüeñal, que por inercia seguirá girando hasta recibir un nuevo impulso. Cuando el pistón llega al punto muerto inferior, se abre la válvula de escape, y permanece cerrada la de admisión. Durante esta nueva carrera del pistón, denominada motriz por ser la única en que se desarrolla trabajo, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.
Al comenzar el cuarto tiempo, llamado de escape, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, y la válvula de escape se ha abierto, por lo que los gases quemados en el interior del cilindro escaparán rápidamente al exterior a través de ella, por estar sometidos a mayor presión que la atmosférica. El cigüeñal sigue girando y hace subir al pistón, que expulsa los gases quemados al exterior. Cuando llega al punto muerto superior, se cierra la válvula de escape y se abre ¡a de admisión. Durante el tiempo de escape, el pistón ha realizado una nueva carrera y el cigüeñal ha girado otra media vuelta. Acabado el tiempo de escape, el ciclo se repite.
Como ha quedado expuesto, las válvulas se abren y cierran coincidiendo con el paso del pistón por el punto muerto superior e inferior. Para conseguir un mayor rendimiento en los motores, se hace que las válvulas se abran y cierren con un cierto adelanto o retraso respecto a los momentos indicados. Son las llamadas cotas de la distribución, cuyos valores son determinados por el fabricante y calculados para que el motor desarrolle la máxima potencia.
Ciclo real de funcionamiento
En el ciclo teórico que estudiamos anteriormente no tuvimos en cuenta ciertos fenómenos que ocurren en los procesos termodinámicos como:
· Tiempo en que se realiza la combustión
· Evolución politrópica tanto en la compresión como en la expansión.
· Resistencia de los conductos al paso de los fluidos.
· Transferencias de calor de las masas metálicas
Si tomamos el diagrama real un motor notaremos la incidencia de aquellos factores y las correcciones que se realizan con el fin de mejorar el rendimiento térmico.
Admisión : En esta carrera para lograr que la mezcla de aire combustible ingrese al cilindro, se debe vencer la resistencia del filtro de aire, y conductos.
Todo esto trae como consecuencia que el pistón en su carrera descendente debe realizar un trabajo negativo, tanto mayor como sean estas resistencias antes mencionadas.
Compresión: En esta evolución la mezcla aire combustible es comprimida dentro del cilindro hasta alcanzar la temperatura optima.
Luego de esto se produce el encendido de la chispa. En el cilindro en este tipo de motores es una masa metálica refrigerada. Los elementos fundamentales que constituyen el sistema de refrigeración son el radiador, la bomba de agua termostatos y mangueras. Todo esto hace que el resultado de la transformación sea politrópica. Debemos recordar que la temperatura del motor se debe mantener dentro de cierto rango para lograr una efectiva lubricación de sus componentes.
Ignición: La ignición se produce por el salto de la chispa dentro del fluido comprimido a una determinada temperatura. La combustión es rápida pero no es instantánea como la pretende el ciclo teórico.
El tiempo real oscila entre 0.01-0.001 seg. , por lo tanto debemos tener en cuenta que si hacemos saltar la chispa al llegar al PMS la combustión se realizara cuando el motor esta retrocediendo, lo mencionado anteriormente produce una perdida importante en el ciclo.
Para dar solución a este problema se anticipa la chispa antes de llegar al PMS, está es lo que denomina avance al encendido, corrección en el ciclo real.
Expansión: La expansión de los gases se produce según una transformación politrópica.
Podemos apreciar una perdida de trabajo respecto al ciclo ideal.
Escape: Finalizada la combustión de la mezcla los gases deben ser retirados del cilindro para el ingreso de la nueva mezcla y completar el ciclo.
Si esperamos abrir la válvula de escape en la coincidencia con el final de la carera de expansión la carrera de escape se iniciara con precisión dentro del cilindro. Para corregir este problema que demanda una potencia adicional se procede a comenzar la apertura de la válvula de escape antes de finalizar la carrera de expansión, por tanto cuando iniciamos la carrera de escape la presión interna a disminuido notablemente reduciendo en gran medida el trabajo requerido para dicha operación.
