Capítulo 2 - MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

El propósito de los motores de combustión interna (CI) es producir un par mecánico mediante la transformación de la energía química contenida en el combustible. A diferencia de los motores de combustión externa, los motores CI generan un par mecánico como resultado de la explosión u oxidación del combustible, dentro de los cilindros del motor. A la mezcla aire-combustible antes de la combustión y de los productos derivados de la combustión, se le conoce como flujo de trabajo [2].

 Fig.3. Clasificación de Motores de Combustión Interna

2.1 Clasificación

Principalmente el tipo de motor que elegimos para propulsar una máquina, está determinado por los requerimientos de potencia y torque, ya que cada uno posee características que lo hacen apto para las condiciones de trabajo, por ejemplo, el motor tipo diesel es muy socorrido en el autotransporte debido al alto torque que es capaz de desarrollar para impulsar camiones de carga pesada [2]. La Fig. 2.1 muestra la clasificación de los motores de combustión interna de acuerdo a su aplicación, ciclos de trabajo, combustible de trabajo, etc.

2.2 Componentes de un motor reciprocante CI

El motor de tipo reciprocante se comporta de forma similar a un mecanismo tipo manivela-biela-corredera, en donde el pistón va de un punto a otro con una trayectoria lineal y éste es acoplado mediante una barra (biela), a un punto excéntrico al eje del cigüeñal para producir un movimiento angular.

Fig.4. Diagrama de motor reciprocante CI

2.2.1 Ciclo Otto

            El ciclo Otto es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa [13]. Recibe este nombre en honor a Nikolaus A. Otto, quien en 1876, en Alemania, construyó una exitosa máquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por Frenchman Beam de Rochas en 1862. En la mayoría de las máquinas de encendido por chispa el pistón ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión interna de cuatro tiempos. Un diagrama esquemático de cada tiempo, así como el diagrama P–v para una máquina real de encendido por chispa de cuatro tiempos se presenta en la Fig. 5a.

            Inicialmente, tanto la válvula de admisión como la de escape están cerradas y el pistón se encuentra en su posición más baja o punto muerto inferior (PMI). Durante la carrera de compresión, el pistón se mueve hacia arriba y comprime la mezcla de aire y combustible. Un poco antes de que el pistón alcance su posición más alta o punto muerto superior (PMS), la bujía produce una chispa y la mezcla se detona, lo cual aumenta la presión y la temperatura del sistema. Los gases de alta presión impulsan al pistón hacia abajo, el cual a su vez obliga a rotar al cigüeñal, lo que produce una salida de trabajo útil durante la carrera de expansión o carrera de potencia. Al final esta carrera, el pistón se encuentra en su posición más baja (la terminación del primer ciclo mecánico) y el cilindro se encuentra lleno con los gases de combustión. Después el pistón se mueve hacia arriba una vez más para evacuar los gases por la válvula de escape (carrera de escape), para descender por segunda vez extrayendo una mezcla fresca de aire y combustible a través de la válvula de admisión (carrera de admisión) [13].

2.3 Funcionamiento de las válvulas

Para comprender el funcionamiento del motor de combustión interna, ya sea encendido por chispa o por compresión, debemos tener en mente los procesos que ocurren dentro de éste. En un motor de cuatro tiempos, como el que se emplea en la categoría F-SAE, el pistón experimenta inicialmente una aceleración y posteriormente una desaceleración al moverse del PMS al PMI, y viceversa. Al finalizar el periodo de admisión la válvula de entrada comienza a cerrarse mientras que el pistón cambia el sentido de movimiento y se dirige hacia la parte superior del cilindro. Dicho recorrido es conocido como fase de compresión en la cual se reduce el volumen dentro del cilindro y aumenta la presión [3].

Cuando está por terminar la etapa de compresión, el pistón experimenta una desaceleración justo antes de cambiar el sentido de avance que se presenta en el PMS. Momentos después la mezcla aire-combustible se hace explotar ya sea mediante una chispa o debido a la alta temperatura provocada por la compresión del flujo de trabajo, tal como ocurre en los motores Diesel [3]. Es así como un proceso de expansión ocurre dentro del cilindro y empuja al pistón hacia abajo. A este evento se le conoce como etapa de potencia.

Hacia el final de la etapa de potencia se abre la válvula de escape para evacuar los gases de combustión cuando el pistón retorna en dirección al PMS. Una vez alcanzado el PMS el pistón invierte el sentido de dirección e inicia la etapa de admisión [3].

2.3.1 Solape de válvulas

El movimiento angular que describe el cigüeñal cuando la apertura de la válvula de admisión o de escape ocurre antes del PMS o PMI, se define como ángulo de apertura adelantado. Así mismo el ángulo de rotación que describe el eje del cigüeñal cuando la válvula de admisión o de escape se cierra después del PMS o PMI se denomina ángulo de retardo de cierre de válvula. El movimiento angular total cuando ambas válvulas de escape y admisión se encuentran simultáneamente abiertas, en la región PMS, se denomina periodo de solape o cruce de válvulas [3].

    Los procesos de admisión, compresión, potencia y escape combinados, se pueden observar en el diagrama en espiral en la Fig. 7 (b).

    En la Fig.7 (a) se puede observar la representación de la etapa de admisión y escape combinado en un mismo ciclo. Por otra parte, la Fig. 8 ilustra de forma clara los tiempos apertura de las válvulas contra el movimiento angular del cigüeñal.

2.3.1.1 Operación de la válvula de salida

Para maximizar la expulsión de los gases de combustión del cilindro, la válvula de escape se comienza a abrir cuando el pistón experimenta una desaceleración antes de llegar al PMI durante la etapa de potencia. Al comenzar la apertura, los gases contenidos a una presión entre 3 a 4 bar  son expulsados debido a su propia energía cinética a través del sistema de salida de gases hacia el ambiente [3]. La apertura anticipada de la válvula tiene como efecto expulsar la mayor cantidad de gases de combustión lo más pronto posible, aprovechando su energía cinética, y reducir la energía necesaria para evacuar los gases residuales durante la etapa de escape. No obstante la apertura adelantada, la pérdida de presión es despreciable ya que el pistón se encuentra en una zona de desaceleración y justo a punto de cambiar el sentido de movimiento, momento que ocurre al cruzar el PMI [3].

Fig.9 Curvas de presión de ciclos con apertura de válvula de escape anticipada de 60° y 40°.

         La válvula de escape se mantendrá abierta durante toda la carrera de salida de gases y una pequeña parte del recorrido de admisión de aire. Este retardo provoca que los gases que salen del cilindro dejen a su paso un vacío parcial en el puerto de escape y en la cámara de combustión [3]. Esta condición propicia que carga de aire fresco entre al cilindro cuando apenas se está abriendo la válvula de admisión y aún cuando el pistón se encuentre casi inmóvil en el PMI, momento en el cual no puede crear un efecto de bomba de vacío [3]. Si el retardo del cierre de la válvula de salida es mayor, a baja velocidad angular del motor, el flujo de aire fresco seguirá la trayectoria de los gases de combustión y saldrá directamente por el múltiple de salida, sin haber generado trabajo [3].

2.3.1.1 Operación de la válvula de salida

Para maximizar la expulsión de los gases de combustión del cilindro, la válvula de escape se comienza a abrir cuando el pistón experimenta una desaceleración antes de llegar al PMI durante la etapa de potencia. Al comenzar la apertura, los gases contenidos a una presión entre 3 a 4 bar  son expulsados debido a su propia energía cinética a través del sistema de salida de gases hacia el ambiente [3]. La apertura anticipada de la válvula tiene como efecto expulsar la mayor cantidad de gases de combustión lo más pronto posible, aprovechando su energía cinética, y reducir la energía necesaria para evacuar los gases residuales durante la etapa de escape. No obstante la apertura adelantada, la pérdida de presión es despreciable ya que el pistón se encuentra en una zona de desaceleración y justo a punto de cambiar el sentido de movimiento, momento que ocurre al cruzar el PMI [3].

        La válvula de escape se mantendrá abierta durante toda la carrera de salida de gases y una pequeña parte del recorrido de admisión de aire. Este retardo provoca que los gases que salen del cilindro dejen a su paso un vacío parcial en el puerto de escape y en la cámara de combustión [3]. Esta condición propicia que carga de aire fresco entre al cilindro cuando apenas se está abriendo la válvula de admisión y aún cuando el pistón se encuentre casi inmóvil en el PMI, momento en el cual no puede crear un efecto de bomba de vacío [3]. Si el retardo del cierre de la válvula de salida es mayor, a baja velocidad angular del motor, el flujo de aire fresco seguirá la trayectoria de los gases de combustión y saldrá directamente por el múltiple de salida, sin haber generado trabajo [3].

2.3.1.2 Operación de la válvula de entrada

        Para introducir la mayor cantidad posible de aire fresco al interior del cilindro, la válvula de entrada comienza su apertura cuando el pistón está por terminar la carrera de potencia [3]. En dicho momento los gases de combustión forman al salir una depresión en el interior del cilindro. Si la apertura se adelanta aún más, los gases de combustión pueden salirse hacia el MA a través de la válvula de entrada [3].

La eficiencia volumétrica en el proceso de admisión es una característica que varía con la velocidad de giro del motor.  Cuando el motor gira de revoluciones medias a altas, se puede maximizar la cantidad de flujo de trabajo capturado en el cilindro mediante el cierre de la válvula de admisión al inicio de la carrera de compresión [3]. Esto es provocado por el aumento del gasto másico de aire-combustible, que pasa por los conductos de admisión provocando que las moléculas del flujo se encuentren más cercanas unas con otras, forzando su entrada al cilindro para mezclarse con la carga menos densa. Sin embargo, a revoluciones bajas la densidad del flujo a la entrada es insuficiente para retener totalmente la mezcla aire-combustible dentro del cilindro, entonces cierta cantidad es forzada a salir por el múltiple de admisión, afectando en la capacidad de compresión del motor.

La relación de la eficiencia volumétrica con la variación de la velocidad angular del motor, es un factor que modifica el torque que puede producir un motor. Es por eso que el ajuste en los tiempos de apertura y cierre de las válvulas tanto de admisión como de escape, modifican el rendimiento del motor. Desafortunadamente, las ventajas que aporta la apertura adelantada de la válvula de admisión combinado con el cierre retardado de la válvula de escape, son modificaciones que generan detrimento en la reducción de contaminantes [3].

2.4  Inyección de combustible

         La función del sistema de inyección es monitorear las variables de operación del motor,  transmitir esta información a un sistema de control y, por último, dar la orden para atomizar el combustible con los inyectores para mezclarlo con el flujo de aire entrante. Por otra parte,  la posición en la que el combustible es inyectado tiene gran influencia en el desempeño del motor [3].

2.4.1 Inyección directa

            En este arreglo los inyectores están posicionados en la cabeza del cilindro y el combustible es atomizado directamente en cada cilindro de forma independiente. Cuando se emplea la inyección directa se debe cuidar que la inyección ocurra a 60° posterior al PMS durante la fase de admisión debido a que entre más corto  sea el tiempo en el cual debe mezclarse combustible  con la carga de aire,  se requiere que el flujo sea lo más turbulento posible. Así mismo, para compensar el corto tiempo durante el cual se lleva a cabo la inyección, atomización y mezcla, la presión de inyección necesita ser mayor comparada con la de tipo indirecta, lo que eleva su costo y robustez [3].

            La posición y dirección de inyección son parámetros de suma importancia para obtener el correcto desempeño del sistema y no existe una posición que garantice la máxima eficiencia para todos los casos. Este sistema de inyección es generalmente utilizado en cilindros de mayor capacidad que en cilindros pequeños ya que las partículas que se atomizan no descienden por completo en cilindros cuyo espacio para mezclarse es reducido [3].

2.4.2 Inyección indirecta

            Un sistema de inyección indirecta es aquel en donde el combustible se mezcla con el flujo de aire fresco antes de entrar a la cámara de combustión. La inyección se puede llevar a cabo de dos formas principalmente, la primera es en el cuerpo de aceleración justo antes de la válvula que regula el flujo y se conoce como inyección en un solo punto o Single-Point Injection [3]. Otra configuración es cuando se coloca un inyector por cada cilindro justo antes del puerto de entrada al mismo, tal sistema se conoce como inyección de punto múltiple o Multi-Point Injection [3]. Ya sea que se elija un sistema SPI o MPI, ambos pueden trabajar a presiones de inyección relativamente bajas, 2 a 6 bar, y la atomización no tiene que ser sincronizada con el ciclo de admisión del motor, por lo tanto los inyectores son menos complejos en su operación, al no estar expuestos a la detonación de la mezcla, su tamaño es reducido y son más baratos [3]. Los sistemas MPI permiten considerar geometrías más complejas en el diseño del MA ya que éste solamente contiene aire en su interior, y se puede aprovechar de mejor forma el fenómeno de admisión con recarga inercial [3].

2.4.3 Intervalos de descarga de combustible

            De acuerdo con el sistema que se adopte, los intervalos de inyección pueden ser continuos o intermitentes. Para el primero el inyector permanece siempre abierto y regula la atomización de combustible variando el área del orificio o la presión de inyección, o ambas. Para la inyección intermitente o en pulsos, el combustible es atomizado en intervalos regulares con una presión de inyección constante y controlada por tiempo de apertura de la válvula de cada cilindro [3].

2.4.4 Control del sistema de inyección

         Para que el motor cuente con la mezcla de aire-combustible bajo cualquier condición de operación, éste posee con una unidad de control (ECU), cuyo trabajo es monitorear los distintos parámetros de operación del mismo, para dosificar el combustible necesario y, de esta forma, obtener la mayor potencia posible [14]. Dicho monitoreo lo hacen una red de sensores que a continuación se mencionan:

·      Sensor de flujo de aire: mide la cantidad de aire que entra al motor.

·      Sensor de oxígeno: Monitorea la cantidad de oxígeno a la salida del los gases de combustión para saber qué tan rica o pobre es la mezcla aire-combustible y así poder ajustarla.

·      Sensor de posición del cuerpo de aceleración: este sensor indica la posición de apertura de la mariposa que permite el paso de aire al motor, de esta forma el ECU puede ajustar la descarga de combustible.

·      Sensor de temperatura del sistema de enfriamiento: indica al ECU del momento en cuanto el motor ha alcanzado su punto óptimo de operación.

·      Sensor de voltaje: monitorea el voltaje del sistema eléctrico del vehículo para en caso de que éste disminuya, el ECU aumente la velocidad ralenti.

·      Sensor de presión absoluta en el MA: indica la presión absoluta del aire dentro del MA. Es una medida para calcular la potencia que el motor produce.

·     Sensor de velocidad del motor: monitorea las RPM a la que el motor gira, con lo cual se puede calcular el pulso de descarga para los inyectores.

2.5 Conclusiones

         Los motores CI trabajan de acuerdo un ciclo termodinámico pero su comportamiento es el de un proceso mecánico, es decir, los procesos que ocurren no son isentrópicos ni a volumen constante. Por otra parte, el comportamiento de un motor CI varía de acuerdo a la velocidad con la que gira y se pueden presentar fenómenos a diferentes regímenes de velocidad. Para el diseño del MA, se deben conocer tales efectos y la consecuencia que puede tener el optar por una u otra configuración, como lo es el caso de la inyección.