El motor de combustión
El motor de combustión
El motor es la parte mas compleja del automóvil y es además la que mayor atención ha recibido por parte de los fabricantes a lo largo de los más de 100 años de historia de estas maquinas. La evolución del motor ha sido amplia y en diferentes direcciones y esta evolución no se detiene en la actualidad.
El tema del motor es difícil de tratar si se quieren abarcar todas las posibilidades ya que su historia es muy rica y ha sido llevada a cabo por numerosos fabricantes en también numerosas variantes. Sin embargo, vamos a intentarlo.
El motor es el componente del tren de fuerza que proporciona el movimiento al automóvil partiendo de la energía del combustible, salvo excepciones, todos son basados en el mecanismo pistón-biela-manivela que se muestra muy esquemáticamente en la figura 1. El nombre del mecanismo se deriva del hecho de se usan tres elementos con esos nombres para convertir en movimiento rotatorio de un eje la fuerza de empuje de gases a alta presión sobre un pistón. Observe que el movimiento de traslación del pistón (que en la realidad es cilíndrico) colocado dentro de otro cilindro guía (que se conoce como camisa) y que se ha representado con dos rayas verticales, se transmite a través de una barra recta conocida como biela a una manivela rotatoria llamada cigüeñal. La flecha representa el empuje de los gases sobre el pistón, que actúan solo en la carrera de descenso, luego la inercia de un volante acoplado al cigüeñal (que no se representa) y donde se ha acumulado energía, hace subir de nuevo el pistón para una nueva actuación del empuje de los gases, convirtiendo el movimiento oscilante del pistón en rotación permanente del cigüeñal.
Aunque no es exactamente igual, se asemeja al movimiento que se hace cuando se pedalea en una bicicleta, en el cual el empuje de las piernas se convierte en movimiento rotatorio del eje de los pedales y luego de la rueda a través de la cadena.
Aunque este es el mecanismo básico de funcionamiento, y común a todos los motores (excepto los escasos motores rotatorios) de los automóviles, no todos los motores tienen la misma construcción ni el mismo principio general de trabajo para aprovechar las posibilidades del mecanismo, por ello lo primero que debemos hacer a continuación es tratar de establecer una clasificación lo mas general posible de los motores para describirlos.
Figura 1. Animación del mecanismo biela manivela
Clasificación de los motores
Una forma muy general de clasificar los motores se hace partiendo del tipo de combustible que utilizan, debido a que esto establece diferencias muy importantes entre ellos como veremos mas adelante:
Motores de gasolina (también llamados motores Otto).
Motores Diesel.
Si hacemos una síntesis del trabajo de los dos tipos de motores podemos decir que en un motor de gasolina se introduce dentro de una cámara de combustión cerrada cuyo fondo es el pistón una mezcla de aire y combustible, que luego se inflama con el uso de una chispa, en una suerte de explosión controlada que hace aumentar la presión y la temperatura dentro de la cámara, esta presión empuja el pistón, el que a su vez transmite la fuerza al cigüeñal a través de la biela como hemos visto. Para el caso del motor Diesel el funcionamiento es muy similar, pero a la cámara de combustión solo entra aire, y luego, en ella, se inyecta el combustible finamente pulverizado, el que se inflama espontáneamente y produce el aumento de presión que da la pie al movimiento del cigüeñal.
Como desde el punto de vista constructivo-funcional ambos motores son de estructura básica similar, en este portal utilizaremos el motor de gasolina como patrón de descripción, para luego, tratar de forma separada el motor Diesel a fin de comprender sus diferencias y particularidades.
Cabe destacar que la eficiencia de los motores es bastante baja, solo el 15-25% de la energía térmica del combustible puede ser utilizable en el eje de salida, el resto se pierde, en forma de calor transferido a las paredes de la cámara, en los gases de escape, que aun calientes se vierten al exterior, en pérdidas internas por rozamiento y en el movimiento de las partes necesarias como los líquidos de lubricación o de enfriamiento. La eficiencia de los motores Diesel es un tanto mayor que los de gasolina.
Como ya se dijo, la transformación de la energía se basa en el movimiento del mecanismo pistón-biela-manivela que convierte la traslación reciprocante del pistón en movimiento de rotación del árbol de salida para proporcionar fuerza. Durante el trabajo de este mecanismo se pueden diferenciar varias etapas que se ha convenido en llamar ciclos o tiempos y que conoceremos con algo de detalle mas adelante, pues bien, en la práctica esto proporciona otra vía importante y muy general de clasificación:
Motores de dos tiempos.
Motores de cuatro tiempos.
Motores de cuatro tiempos.
En estos motores el ciclo completo de trabajo se puede dividir en cuatro etapas o carreras diferenciables (de ahí el nombre de motores de cuatro tiempos).
1.- Carrera de admisión
Motor de gasolina:
Durante la carrera de admisión y el descenso del pistón (figura 2), se abre una válvula conocida como válvula de admisión (la de la izquierda) y entra al cilindro, debido al vacío resultante (según indican las flechas), la mezcla de aire y gasolina mezcladas (previamente elaborada en el carburador o durante la inyección del combustible en la corriente de aire aspirado). La otra válvula, o válvula de escape (la de la derecha) permanece cerrada.
Cuando el pistón llega a su punto mas bajo, conocido como punto muerto inferior todo el cilindro está lleno de la mezcla combustible y el pistón comienza a subir.
Motor Diesel:
Para el caso del motor Diesel solo entra al cilindro por el mismo procedimiento aire sin combustible.
2.-Carrera de compresión
Motor de gasolina:
En el momento en que el pistón sube, se cierra la válvula de admisión y la de escape permanece cerrada, por lo que se produce la compresión de la mezcla de aire y combustible en el volumen que está por encima del pistón, la cámara de combustión. Esta parte del ciclo se conoce como carrera de compresión, durante ella y debido al aumento de presión, el aire se calienta, la gasolina se evapora y mezcla íntimamente con el aire, quedando preparada para el encendido, que se produce cuando el pistón alcanza una posición muy próxima al punto mas alto conocido como punto muerto superior. Este encendido se produce debido al salto de una chispa eléctrica en la bujía (en el centro), muy bien sincronizada en el momento preciso.
La inflamación de la mezcla produce un aumento brusco de la presión que empuja el pistón hacia abajo para producir la fuerza de trabajo del motor.
Motor Diesel:
Si nos referimos al motor Diesel, durante la carrera de compresión solo se comprime el aire y al hacerlo se calienta, luego cerca del punto muerto superior, se inyecta el combustible a muy alta presión dentro del cilindro finamente atomizado, con un dispositivo conocido como inyector; la temperatura del aire evapora y enciende el combustible espontáneamente (sin bujía) y se produce el aumento de presión.
3.-Carrera de trabajo
Motor de gasolina:
La gran presión de los gases, al quemarse el combustible, hace descender el pistón con gran fuerza, y es en este momento que el motor puede producir trabajo útil capaz de mover una carga, para este caso el automóvil. Esta parte del ciclo se conoce como carrera de fuerza.
Cerca del punto muerto inferior los gases se han enfriado bastante y han perdido una buena parte de la presión por lo que ya no son útiles para realizar el trabajo, en ese momento se abre la válvula de escape y comienza la última parte del ciclo.
Motor Diesel:
Esta parte del ciclo es idéntica para los motores de gasolina y Diesel.
4.-Carrera de escape
Motor de gasolina:
El movimiento ascendente del pistón empuja los gases remanentes de la combustión, limpia el cilindro de los gases quemados, los que salen a través de la válvula de escape (según las flechas) mientras la válvula de admisión permanece cerrada.
Cuando llega al punto muerto superior y el cilindro está limpio, empieza un nuevo descenso y se comienza un nuevo ciclo de admisión para perpetuar el movimiento del motor.
Motor Diesel:
Esta parte del ciclo es idéntica para los motores de gasolina y Diesel.
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
En resumen, pera completar un ciclo de trabajo, el cigüeñal a dado dos vueltas y se han completado cuatro carreras que son de admisión, de compresión, de trabajo y de escape, por tal motivo, este tipo de motor es conocido como de cuatro tiempos.
En el caso de los motores con más de un pistón, todos están acoplados a un mismo cigüeñal con diferente posición relativa y funcionan muy bien sincronizados.
Para ilustrar un motor real mira este vídeo de 1Mb de un motor de gasolina.
Motores de dos tiempos
En los motores de dos tiempos, a diferencia con el de cuatro tiempos, las cuatro etapas del ciclo de trabajo se realizan en solo una vuelta del cigüeñal y no en dos como en aquel. Estos motores pueden ser tanto Diesel como de gasolina, siendo este último el mas común.
Los motores de dos tiempos de gasolina encuentran su mayor campo de aplicación en las pequeñas potencias: motocicletas, máquinas manuales a gasolina (sopladores, fumigadoras, motosierras etc.), y en los pequeños motores de aeromodelismo y similares. En general su rendimiento en combustible es menor que el de los motores de cuatro tiempos.
Veamos como es el principio de trabajo de estos motores.
Durante la carrera ascendente del pistón (figura 6), se comprime la mezcla de aire y gasolina, previamente introducida en el cilindro. Al mismo tiempo y debido al movimiento del pistón, se produce vacío en el cárter del motor, obligando a entrar mezcla nueva de aire y gasolina procedente del carburador, por un conducto provisto de un válvula que abre la propia succión. De manera entonces, que durante esta carrera ascendente se producen dos etapas del ciclo de trabajo, es decir:
1.- Compresión por encima del pistón.
2.- Admisión por debajo de este.
Una vez que el pistón llega próximo al punto muerto superior, tendremos la mezcla aire-combustible completamente comprimida, y lista para la aparición de la chispa en la bujía, y además, el cárter o carcasa del motor lleno con mezcla fresca procedente del carburador.
Como en todo motor de gasolina, en ese momento se produce el salto de la chispa en la bujía y se inflama la mezcla, produciendo la carrera descendente del pistón y generando trabajo.
Cuando el pistón realiza su carrera de descenso (figura 7), impulsado por la fuerza de los gases de la combustión, y estos han perdido ya suficiente energía, el propio pistón descubre un agujero lateral conocido como lumbrera, que comunica al exterior.
La presión remanente aun en los gases, hace que estos escapen del cilindro.
Al mismo tiempo, el movimiento descendente del pistón, comprime la mezcla fresca de aire y gasolina del cárter (la válvula se ha cerrado) elevando allí la presión.
Con el consecuente movimiento descendente (figura 8), el pistón termina por descubrir otra lumbrera inferior, que comunica con el cárter, y permite la entrada de la mezcla fresca comprimida al interior del cilindro, para comenzar un nuevo ciclo de compresión-admisión.
A continuación se muestra un animado del funcionamiento del motor de dos tiempos.
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Otra particularidad que permite hacer una nueva clasificación de los motores tiene que ver con la forma como se llena el cilindro durante la carrera de admisión y es aplicable tanto a los motores de gasolina como a los Diesel, así como a los de dos y cuatro tiempos. Cuando el motor realiza la carrera de admisión puede hacer la aspiración de dos formas:
Aspiración natural donde la propia succión natural del pistón sirve para llenar el cilindro y se les llama motores de aspiración natural.
Aspiración forzada donde la succión del pistón es asistida por un compresor. Esta aspiración forzada se conoce como sobrealimentación y consecuentemente a los motores que usan este tipo de aspiración comomotores sobre alimentados.
Motores sobrealimentados
En los motores sobrealimentados, la presión dentro del cilindro al terminar la carrera de admisión es mayor que la presión atmosférica del exterior. Esta sobre-presión supone que hay mas aire dentro del cilindro que el que hubiera podido almacenarse en la aspiración natural, lo que significa a su vez, que la presión final del ciclo de compresión será también mayor. Como la eficiencia del proceso termo dinámico de conversión de energía térmica a mecánica del ciclo de trabajo del motor crece con el aumento de la presión final de la compresión, la sobre alimentación supone un incremento de la eficiencia del motor, es decir, un mejor aprovechamiento de la energía del combustible como trabajo útil.
Además de la ventaja del incremento de la eficiencia, la mayor cantidad de aire aspirada permite el quemado de mayor cantidad de combustible, por lo que para un mismo motor, la sobrealimentación supone la posibilidad de lograr un aumento notable de la potencia entregada.
Si nos atenemos al simple análisis de estas ventajas manifiestas de la sobre alimentación, podríamos pensar que mientras mas se sobre alimente un motor será mejor, pero en la realidad la sobre alimentación tiene un límite a partir del cual lejos de representar ventajas empieza a ser desventajoso en el funcionamiento del motor, veamos:
Hay dos factores que hay que tener en cuenta en este asunto:
Cargas sobre las piezas. A medida que se sobre alimenta más el motor, y debido al incremento del combustible que puede quemarse y con ello las presiones de trabajo, la carga sobre las partes involucradas en el ciclo de trabajo (pistones, bielas y cigüeñal) se incrementan. Este incremento tiene un límite razonable a partir del cual la durabilidad de los mecanismos se reduce notablemente.
Consumo del compresor. El dispositivo que inyecta de manera forzada la carga al motor durante la carrera de admisión se mueve desde el motor consumiendo parte de la energía producida por este, la energía consumida por un compresor depende tanto del flujo de aire que induce así como de la presión a que lo hace. A partir de cierto grado de sobre alimentación, las ventajas en eficiencia energética que supone, serán consumidas por el propio compresor y el resultado final será nulo e incluso negativo.
La sobre alimentación es realmente útil en los motores Diesel, donde la aspiración es solo de aire, mientras que su uso en los motores de gasolina, donde se aspira la mezcla de aire con combustible, no representa ventaja práctica debido a la elevada posibilidad de la auto inflamación de la mezcla durante el ciclo de compresión por la elevada presión y temperatura generadas. Solo en motores de gasolina de aplicaciones especiales como en los automóviles de competencia donde se usan combustibles de muy elevado octanaje se justifica tal práctica.
Mecanismos de sobrealimentación
En la práctica se utilizan dos formas de sobrealimentar los motores:
Utilizando un compresor helicoidal accionado mecánicamente desde el motor.
Utilizando turbo-compresores accionados por los gases de escape del motor.
Compresor helicoidal
Conocidos como compresores roots, estos sopladores se utilizan con frecuencia para sobrealimentar a los motores de combustión interna y son accionados desde el motor a través de correas o por medio de engranajes. La figura 9 muestra uno de estos compresores montado en el motor y accionado por una correa de goma.
Básicamente están constituidos por dos rotores lobulados construidos con gran precisión que giran sincronizados por medio de un engranaje interno como puede apreciarse en la vista semi desmontada de la figura 10. Estos rotores entran en el cuerpo con mucha exactitud de manera que al girar atrapan el aire del exterior por un lado y lo transportan al lado de salida forzado por los lóbulos de los rotores. En la figura 11 se muestra un esquema del trabajo.
La forma helicoidal de los lóbulos, hace que la transferencia de aire del lado de la succión al lado de descarga se haga de manera continua y no por impulsos como sucedería si el compresor es fuera de pistones.
En la figura 11 se muestra de manera esquemática como es que se bombea el aire en estos compresores.
Figura 9
Figura 10
Figura 11
Turbo-compresores
La otra vía para sobrealimentar los motores es utilizando los llamados turbo-compresores, estos dispositivos aprovechan la energía de los gases de escape para mover una turbina en cuyo eje está acoplado un compresor de hélice tal y como se muestra en la figura 12.
En principio este método es mas eficiente que el de compresor roots ya que no se alimenta de la energía mecánica del motor si no que aprovecha parte de la energía que de todas formas se desecha al exterior con los gases de escape.
Los problemas tecnológicos inherentes a las altas temperaturas de los gases de escape y las altas velocidades de rotación de estos aparatos hacen que los turbo-compresores sean dispositivos caros y sensibles.
La figura 13 muestra un esquema del uso de un turbo compresor en el motor, observe el uso de una válvula limitadora de la velocidad de giro, esta válvula del tipo de diafragma recibe la presión desde el conducto de admisión, si la velocidad de la turbina y con ella la del compresor crece mucho, la presión en el conducto de admisión se hace alta, esta alta presión mueve el diafragma y levanta una válvula que deriva parte de los gases de escape a la salida sin pasar por la turbina, de esta forma se logran dos cosas; primero se mantiene la presión en el conducto de admisión al valor máximo óptimo y segundo se impide que la velocidad de giro llegue a valores peligrosos para el turbo-compresor.
La última forma general que puede ser utilizada para clasificar los motores lo hace en:
Motores de cárter húmedo: que son aquellos que tienen un cárter o carcasa que contiene lubricante y este se hace circular por las uniones deslizantes de las piezas en movimiento relativo a través de un sistema de lubricación.
Motores de cárter seco: no hay recipiente de aceite, y la lubricación entra al motor a través de la mezcla de lubricante junto con la gasolina. Es común en los motores pequeños de dos tiempos debido a que la propia naturaleza del trabajo del motor hace que la piezas en movimiento entren en contacto con la mezcla aire-combustible de alimentación.
En resumen, los motores se pueden clasificar como:
Según el modo de operar:
Motores con mecanismo pistón-biela-manivela.
Motores rotatorios.
Según el tipo de combustible:
Motores Otto.
Motores Diesel.
Según la forma de alimentación:
Motores de aspiración natural.
Motores sobre alimentados.
Según los ciclos de trabajo:
Motores de dos tiempos.
Motores de cuatro tiempos.
Según el modo de lubricación:
Motores de cárter húmedo.
Motores de cárter seco.