5. Motores de combustión interna alternativos
Son motores de combustión interna, aquellos en los que la combustión se produce en el interior de la cámara del motor, y son los gases generados los que causan, directamente por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor.
Estas características son las que hacen que estos motores sean más ligeros y de menores dimensiones que los de combustión externa.
El único inconveniente es el no poder utilizar combustibles más baratos como el carbón, pues es necesario suministrarles combustibles gaseosos o líquidos relativamente caros (gasolina, queroseno, fuel, alcohol, gas-oil, gas natural, butano, etc.).
Dentro de los motores de combustión interna se puede hacer una subclasificación, como ya se vio, en función de la forma en que se obtiene la energía mecánica: motores alternativos y motores rotativos.
5.1. Motores alternativos de combustión interna
Este tipo de motores aprovecha la fuerza expansiva de los gases inflamados en el interior de un cilindro para proporcionar así el trabajo útil necesario para la propulsión mecánica correspondiente.
Los motores alternativos se dividen en dos grandes grupos según cómo se produzca la combustión: motores de encendido por provocado (por la chispa que produce la bujía) (MEP – motor de explosión – motor Otto) y motores de encendido por compresión (MEC o motor Diesel).
En este tipo de motores, el ciclo termodinámico se puede realizar en cuatro carreras del pistón o en sólo dos. Distinguiremos, por tanto, los motores de 4 tiempos y los motores de 2 tiempos.
5.1.a Motor de 4 tiempos
Se llama así porque requiere cuatro carreras del pistón, o sea, dos revoluciones del motor, para realizar un ciclo completo.
Las partes de un motor alternativo de combustión interna de 4 tiempos son las siguientes:
Terminología
- Punto muerto superior (PMS): posición del pistón en la que el volumen ocupado por el gas en el cilindro es mínimo (o la posición más próxima a la culata).
- Punto muerto inferior (PMI): posición del pistón más alejada de la culata y por tanto, el volumen ocupado por el gas en el cilindro es máximo.
- Diámetro o Calibre (D): es el diámetro interior del cilindro (expresado en mm).
- Carrera (S): espacio que recorre el pistón entre el PMS y el PMI.
- Volumen de la cámara de combustión (VC): es el volumen que ocupa la mezcla cuando el pistón está en el PMS en la fase de compresión. Espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando éste se encuentra en el PMS (en cm³).
-
Volumen unitario o Cilindrada unitaria (VD, volumen desplazado):
es el volumen útil del cilindro, es decir, el espacio comprendido entre el PMS y el PMI
(cc o cm³). Se define teniendo en cuenta el diámetro interior (D) y la carrera del pistón (S):
VD = VT - VC = (π · D²/ 4) · S
- Cilindrada total: es el producto de la cilindrada unitaria VD por el número de cilindros. Vtotal = VD · N (nº de cilindros)
- Volumen total del cilindro (VT): espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando éste se encuentra en el PMI (expresado en cm³). VT = VC + VD.
-
Relación de compresión (R): es un número que permite medir la proporción en que
se ha comprimido la mezcla de aire-combustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diésel) dentro de la
cámara de combustión de un cilindro.
Es la relación entre los volúmenes ocupado por el gas cuando el pistón está en PMI y PMS.
Dicho de otra forma, es el volumen del cilindro (VT) y el volumen de la cámara de combustión (VC):R = VT / VC = (VC + VD) / VC
-
Régimen de giro (n o ω): es el número de revoluciones por minuto (rpm) a las que
gira el motor. Se mide en rad/s en el sistema internacional.
(1rpm= 2π rad; 1 min=60 s) -
Par motor (M): es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de
transmisión de potencia. Se mide en N·m.
Potencia (P): es una consecuencia del par motor (M) y del régimen de giro del motor. P = M · ω
- Culata: Es la pieza que cierra el cilindro por su parte superior, formando el techo de la cámara de combustión. En ella se alojan las válvulas y la bujía o inyector.
- Segmentos: Son anillos elásticos situados en el pistón que aseguran la estanqueidad entre este y las paredes del cilindro, evitando fugas de gases.
- Valvula de admisión: válvula para la entrada de la mezcla aire-combustible o aire, según el tipo de motor, al cilindro al principio del ciclo.
- Válvula de escape: válvula que permite la evacuación de los gases de combustión al final del ciclo.
- Bujía o inyector: dispositivo para generar la chispa en los motores de encendido por chispa o para inyectar el combustible a elevada presión en los motores de encendido por compresión.
- Biela - manivela: dispositivo para transformar el movimiento alternativo del pistón en otro rotativo de un eje o cigüeñal.
- Cigüeñal: eje con movimiento rotativo al que se une el sistema biela - manivela.
Ciclo operativo: es la serie de operaciones que el fluido activo realiza en el cilindro continuamente y de la misma forma. Su duración se mide por el número de carreras (S) que el pistón efectúa para realizarlo, así decimos que un motor es de 4 tiempos si el pistón completa el ciclo en 4 carreras y de 2 tiempos si lo hace tan solo en dos carreras.
CICLO DE 4 TIEMPOS
- Primer tiempo: admisión. En esta fase se produce la aspiración del combustible, al descender el pistón desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) y abrirse la válvula de admisión, la cual se cierra después de realizarse la carrera. El cigüeñal ha dado media vuelta. Durante esta fase la presión (P) se mantiene constante y el volumen aumenta (tramo 0-1 del diagrama P-V).
- Segundo tiempo: compresión. Cuando el pistón llega al PMI, comienza a subir de nuevo comprimiendo la mezcla hasta llegar al PMS. Durante esta fase las válvulas de admisión y escape permanecen cerradas y la presión va aumentando, la temperatura se ha elevado hasta unos 280 ºC y el volumen ha disminuido (tramo 1-2 del diagrama P-V). El cigüeñal ha dado otra media vuelta y por tanto tenemos la primera revolución del motor.
- Tercer tiempo: combustión y expansión. Instantes antes de que finalice la carrera de compresión, se produce el encendido o inflamación del combustible (encendido de la mezcla por medio de una chispa eléctrica procedente de la bujía, en los motores de explosión, o por encendido espontáneo del combustible inyectado en la cámara de combustión al entrar en contacto con el aire caliente, en los motores de combustión) con el correspondiente aumento de la presión y la temperatura (tramo 3-4). El pistón es entonces proyectado bruscamente hacia abajo (tramo 3-4) produciéndose trabajo útil. En el momento en que el pistón llega al PMI concluye la tercera carrera y el cigüeñal ha dado otra media vuelta.
- Cuarto tiempo: escape. Antes de llegar el pistón al PMI, se abre la válvula de escape (tramo 4-1). El pistón inicia su carrera de ascenso hacia el PMS (tramo 1-0) y los gases de la combustión buscan su rápido escape por la válvula abierta. Antes de llegar al PMS, la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre (tramo 0-1), es decir, se vuelve a iniciar un nuevo ciclo.
De los cuatro tiempos, sólo el tercero (combustión y expansión) realiza trabajo. Éste es almacenado en forma de energía mecánica gracias a un volante de inercia, del cual se obtiene la energía necesaria para completar los otros tres tiempos que completan un ciclo.
Ciclos termodinámicos. Transformaciones o procesos termodinámicos
1º Tiempo (0–1): Admisión isobárica. El pistón desciende con la válvula de admisión abierta y se aspira la mezcla carburante. El proceso tiene lugar a P cte.
2º Tiempo (1-2): Compresión adiabática . El pistón sube con las dos válvulas cerradas. Se produce una compresión adiabática (Q=0) de la mezcla. Ésta se calienta.
3º Tiempo (2-3 y 3-4): Explosión isocórica-Expansión adiabática. Cuando el pistón está en el PMS, salta la chispa en la bujía y explosiona la mezcla, aumentando bruscamente la presión a V cte. Se produce una brusca absorción de Q por los gases de combustión. A continuación, el pistón es lanzado hacia abajo realizando W (el cual viene dado por el área encerrada por el ciclo). Esta expansión se produce tan rápidamente que se puede suponer que no se produce intercambio de Q con el ambiente, por lo que sigue un proceso adiabático. En la expansión aumenta el V y descienden la P y la T.
4º Tiempo (4-1 y 1-0): Escape. Se abre la válvula de
escape e, idealmente, podemos suponer que se produce un descenso brusco de la P
y de la T a V cte (proceso isocórico 4-1), produciéndose una brusca cesión de Q al
ambiente. A continuación, el pistón sube expulsando los gases quemados fuera
del cilindro a P cte (proceso isobárico 1-0).
Diagrama real
- Tramo 2-3 (Inyección): Es una combustión isobárica. Se introduce el gasóleo y se quema a presión constante mientras el pistón empieza a bajar.
- Tramo 3-4 (Expansión): Es una expansión adiabática. El gas ya quemado empuja el pistón hacia el PMI sin intercambiar calor, realizando el trabajo mecánico útil.
- Tramo 4-1: Es una cesión de calor isocórica. Al llegar el pistón al PMI se abre la válvula de escape y la presión desciende bruscamente hasta la P atmosférica
- Tramo 1-0: Es una compresión isobárica. El pistón sube barriendo los gases residuales hacia el exterior a presión constante para vaciar el cilindro por la válvula de escape.
El diagrama diésel
real difiere del teórico debido a:
- La
combustión no se efectúa a P cte.
- El
proceso 4-1 tampoco se lleva a cabo a V cte.
- Combustión
incompleta.
- Intercambio
de calor entre los gases y las paredes del cilindro.
La diferencia entre los ciclos Otto y Diesel reside en la forma en que se introduce el calor en ellos, es decir, en el proceso de ignición o combustión ya que en el ciclo Otto el calor se introduce a volumen constante, mientras que en el Diesel se efectúa a presión constante.
5.1.2. Motor de 2 tiempos
Consta de las mismas 4 fases que el de 4 tiempos, pero el ciclo se completa en 2 carreras del pistón, es decir, en una sola revolución o vuelta del cigüeñal. Podemos encontrarlos tanto de encendido provocado (MEP) como de encendido por compresión (MEC) aunque se utilizan muy poco.
Se caracteriza por la sencillez de su construcción. Carece de válvulas, pero tiene 3 ventanas rectangulares abiertas en el cilindro, denominada lumbreras.
Los conductos de admisión y escape reciben el nombre de lumbrera de admisión al cárter (La) y lumbrera de escape (Le). La otra lumbrera es una apertura que comunica el cárter con el cilindro y que recibe el nombre de lumbrera de carga o de transferencia (Lt). Estas lumbreras quedan abiertas o cerradas por el pistón en el interior del cilindro.
El cárter es de dimensiones reducidas (no se utiliza como depósito de aceite como ocurría en el de 4 tiempos) y sirve de pre-cámara para la admisión y de pre-compresión de la mezcla. El engrase de los órganos del motor se realiza mezclando aceite, en la debida proporción, con la gasolina (que una vez gasificada es aspirada al cárter).
-
Primer tiempo: Admisión - Compresión. El desplazamiento del pistón desde el PMI al PMS, obtura
sucesivamente las lumbreras de carga y escape, descubriendo la de admisión. Se produce:
- La compresión de la mezcla que hay en la parte superior del cilindro.
- La explosión de la mezcla, al final de la carrera o compresión.
- La entrada en el cárter de los gases frescos por la lumbrera de admisión, procedentes del carburador, debido al efecto de succión del pistón en su carrera ascendente.
- Segundo tiempo: Combustión - Escape. Al producirse la combustión de la mezcla, se ejerce una presión sobre el pistón, que desciende bruscamente en su segunda carrera motriz desde el PMS al PMI. De tal forma que:
- La lumbrera de escape (Le) comienza a descubrirse produciéndose la salida brusca de los gases residuales de la combustión sometidos a gran presión.
- Inmediatamente, se descubre la lumbrera de carga, entrando los gases frescos (mezcla o aire) contenidos en el cárter dentro del cilindro desalojando el resto de gases quemados. El pistón se encuentra en el PMI y puede comenzar a ascender para iniciar un nuevo ciclo.
5.1.3. Estudio comparativo de los motores de explosión y diesel
En cuanto a su forma constructiva, disposición de elementos y funcionamiento, presentan unas características análogas. Se diferencian esencialmente en su sistema de alimentación y por la de realizar la combustión. Ambos pueden funcionar en ciclos de cuatro y de dos tiempos. Las diferencias fundamentales son:
a) Introducción del combustible:
En el motor de explosión u otto (MEP: Motor encendido provocado, por una chispa o con bujía), el aire y el combustible son introducidos en la cámara de combustión bajo forma de mezcla gaseosa. La mezcla se efectúa en el carburador y la regulación de la cantidad de mezcla introducida se obtiene por medio de una válvula. Últimamente se está imponiendo la alimentación de los motores de explosión por inyección de combustible, pasando el carburador a ser un sistema de alimentación cada vez menos utilizado. Combustible ligero, fácilmente vaporizable para buena mezcla con aire.
En el motor diesel (MEC: Motor encendido por compresión), el aire se introduce en la cámara de combustión a través de conductos que van a la válvula de admisión, mientras que el combustible se introduce directamente por medio de un inyector. La mezcla aire-combustible se realiza en la cámara de combustión, no hay regulación de aire sino tan sólo de la cantidad de combustible introducido. Combustibles más pesados y de menor calidad, necesidad de calentarlos para arranque en frío, menor producción de gases tóxicos, menor consumo por mejor aprovechamiento del combustible por la relación de compresión, y menor riqueza de la mezcla.
b) Encendido:
En el motor de explosión se requiere de un sistema de encendido para generar en la cámara de combustión una chispa entre los electrodos de una bujía, al objeto de que pueda iniciarse la combustión.
En el motor diesel se utiliza la alta temperatura y presión obtenidas al comprimir el aire en el cilindro para dar comienzo a la combustión cuando el combustible es inyectado.
c) Relación de compresión:
En motores de explosión varía de 6 a 10, salvo casos excepcionales, mientras que en los diesel oscila entre 14 y 22. En los motores de explosión el límite superior de la relación de compresión está determinado esencialmente por la calidad antidetonante del combustible en el mercado. En los motores diesel está determinado, sobre todo, por el peso de la estructura del motor, que aumenta la relación de compresión, de modo especial con grandes cilindradas.
d) Peso:
El motor diesel es, por lo general, más pesado que el motor de explosión de igual cilindrada, porque funciona a presión considerablemente mayor.
5.1.4. Aplicaciones
Los motores de combustión interna alternativos se utilizan como fuente motriz, entre otros muchos, en los siguientes campos:
- Industria del automóvil, maquinaria agrícola y de construcción.
- Propulsión aeronáutica (en este campo suelen sustituirse por turbinas de gas en los turbo-reactores y las turbo-hélices).
- Propulsión marina con motor diesel (también en este ámbito se utiliza la turbina de vapor).
- Centrales termoeléctricas con motor diesel (en las grandes potencias se sustituye por la turbina de vapor).
Como ventajas de los motores de combustión interna alternativos están: rendimiento elevado y arranque rápido.
Como desventajas: potencia limitada (por el número de revoluciones y peso) e imposibilidad de utilizar combustibles sólidos.
EFICIENCIA TÉRMICA DE MOTOR
Los motores de combustión interna son derrochadores, su eficiencia térmica es bastante pobre. Alrededor de 30% de la energía calórica que disponen, la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (pérdida), hacia la atmósfera. Su popularidad se basa en la agilidad de aceleración que presentan, a diferencia de otros tipos como el diesel, que arrojan mejor eficiencia térmica pero son más lentos.
SOBREALIMENTACIÓN
Consiste en introducir más cantidad de aire y combustible en los cilindros para que la explosión sea más violenta y pueda obtenerse mayor potencia del motor.
La utilización de la sobrealimentación se fundamenta en la mejora de la combustión del motor, debido a un mayor llenado del aire en los cilindros, lo que provoca un aumento de potencia, un menor consumo específico, y una menor contaminación.
La sobrealimentación consigue aumentar el par motor y la potencia del vehículo sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, elevando el valor de la presión media efectiva del cilindro del motor. Un motor sobrealimentado puede conseguir hasta un 40% más de potencia que un motor de iguales características no sobrealimentado.
La sobrealimentación puede desempeñar dos funciones diferentes:
- En altitud, compensar la disminución de la densidad de aire, con objeto de que el motor cumpla sus prestaciones, es el caso de la aviación.
- Incrementar la cantidad de aire suministrada al motor para aumentar las prestaciones, es el caso de su empleo en la automovilismo.
TIPOS DE SOBREALIMENTACIÓN
Para realizar la sobrealimentación se necesita una máquina capaz de tomar el aire a presión atmosférica y comprimirlo para conseguir una sobrepresión. Este trabajo se encomienda a los compresores.
Los compresores se pueden clasificar de la siguiente forma:
- Turbocompresores. Son de tipo centrífugo. Se suelen denominar como turbo y son accionados por los gases de escape.
- Compresores volumétricos. Son accionados de forma mecánica por el cigüeñal del motor por medio de correas o engranajes.
FUNCIONAMIENTO DEL TURBOCOMPRESOR
Lo que se hace es aprovechar la energía cinética de los gases de escape para mover una pequeña turbina conectada por un eje a un compresor que comprime el aire de admisión. Como en la compresión el aire se calienta y aumenta el volumen, se coloca un pequeño radiador llamado intercooler para evitar este efecto.
El intercooler enfría el aire y entra en el cilindro a una presión superior a la atmosférica, al haber más comburente (sustancia que participa en la combustión), se puede inyectar más combustible y la explosión resulta más violenta, lo cual incrementa la potencia del motor.
Actualmente casi todos los motores diesel de automoción incorporan turbocompresor e intercooler, ya que así se mejora considerablemente la respuesta del motor a la hora de acelerar el vehículo. En los motores de gasolina, el turbo se utiliza principalmente en competición o en algunos vehículos deportivos.
El turbocompresor, además reduce el consumo específico de combustible sin gran dificultad en los motores DIESEL porque mejora el rendimiento de combustión por mezcla más pobre y mayor turbulencia, y en el mejor rendimiento del ciclo, dando lugar al escape, pasada la turbina, con un bajo gradiente de presión y baja temperatura.