El motor de combustión

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:

1. Motores de gasolina (también llamados motores Otto).

   1. 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:

1. Motores de dos tiempos.

   1. 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).

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.

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.

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.