05-Motor de cuatro tiempos

Estos son los motores que se utilizan mayoritariamente en automoción. Son motores alternativos, lo cual significa que un émbolo o pistón se desplaza arriba y abajo por el interior de un cilindro. Mediante un sistema de transformación biela-manivela, este movimiento se transforma en el giro de una manivela o cigüeñal. El ciclo de funcionamiento de estos motores se completa con cuatro desplazamientos del émbolo o tiempos, es decir, con dos vueltas completas.

 
El desplazamiento del pistón se transforma en giro en el cigüeñal mediante una biela. Los orificios por los que entra y sale el aire se abren o cierran mediante dos piezas que se denominan válvula de admisión y válvula de escape, respectivamente.

Como sólo existe un tiempo que realice trabajo, los motores de cuatro tiempos siempre tienen un volante de inercia que almacena energía rotatoria para los momentos en que se necesita energía. Otra técnica que se emplea de forma masiva es disponer cuatro cilindros girando a la vez para que siempre haya alguno realizando trabajo.



En la geometría de los motores alternativos tenemos las siguientes definiciones:


- Punto muerto superior (PMS): es la posición del pistón en en la que alcanza el punto máximo de altura antes de empezar a bajar.

- Punto muerto inferior (PMI)
: es la posición más baja del pistón antes de empezar a subir.

- Carrera (C): es la distancia que hay entre el PMS y el PMI, y siempre se expresa en milímetros.

- Diámetro o calibre (D): es el diámetro interior del cilindro y también se expresa en milímetros.

- Cilindrada unitaria (VU): es el volumen de aire que aspira el pistón, y es el comprendido entre el PMI y el PMS. En el caso de que el motor tenga varios cilindros, se habla de cilindrada del motor.

- Volumen de la cámara de combustión (VMIN): es el volumen mínimo al que se comprime el gas dentro del cilindro, y es el espacio comprendido entre la cabeza del pistón en el PMS y la tapa superior o culata.

- Relación de compresión (rC): es el cociente entre el volumen máximo que puede haber dentro del cilindro y el volumen de la cámara de combustión. Aunque es un número sin unidades (por ejemplo rC = 10), no es extraño expresarlo como rC = 10:1. Este dato nos da idea de cuánto se comprime el aire en el motor.

De estos datos, los fabricantes sólo dan el diámetro, la carrera y la relación de compresión, pues el resto se pueden calcular con facilidad.


Entre los motores de cuatro tiempos, existen dos tipos básicos que se distinguen por el combustible que utilizan, lo cual condiciona la forma de adicionar el calor. Los motores que utilizan gasolina siguen un ciclo termodinámico que se denomina ciclo Otto. El ciclo de los motores que usan gasóleo se denomina Diesel. Analicemos cada uno de los ciclos:


CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS

En estos motores se mezcla la gasolina con el aire antes de entrar al cilindro, y durante el tiempo de admisión se absorbe esta mezcla. Después del tiempo de compresión se produce una chispa en la bujía, que produce la explosión de dicha mezcla, lo cual se considera que es un aporte de calor a volumen constante. Tras el tiempo de trabajo, se abre la válvula de escape y los gases son expulsados hacia el tubo de escape. El ciclo es el siguiente:

(pulsa sobre la imagen para ver la animación)

Con este diagrama p-V, se puede calcular el trabajo útil que se obtiene en el ciclo completo:



y se puede demostrar que el rendimiento térmico del ciclo Otto viene dado por la expresión:

donde rc es la relación de compresión, que suele estar comprendida entre 8 y 11, y el coeficiente adiabático (γ) del aire igual a 1,4.


Para quemar totalmente gasolina con aire, es necesario mantener una proporción que se denomina relación estequiométrica, (ξ)  y su valor es de, aproximadamente 12000 volúmenes de aire por cada uno de gasolina; dicho de otra forma, cuando en el cilindro se aspiran 12001 volúmenes de mezcla, uno es de combustible. Ésto nos permite calcular la cantidad de gasolina que se ha introducido al aspirar la mezcla en el tiempo de admisión:




Ahora bien, en los motores reales se producen una serie de cambios respecto al modelo ideal, y el ciclo se modifica ligeramente:

- En primer lugar, la válvula de admisión se mantiene abierta hasta después de que el pistón empiece a bajar, para aprovechar la inercia del aire en movimiento y conseguir que entre algo más de aire. Es el llamado Retraso al Cierre de la Admisión (RCA). En los motores de varios cilindros también se produce un Adelanto a la Apertura de la Admisión (AAA) para aprovechar el movimiento del aire recién aspirado por otros cilindros.


- Con la válvula de escape ocurre algo parecido: se produce un Adelanto en la Apertura del Escape (AAE) para que los gases quemados empiecen a salir un poco antes de que el pistón llegue al PMI. Después de subir el émbolo hasta el PMS, la válvula también se mantiene abierta para tener un Retraso en el Cierre del Escape (RCE) aprovechando la inercia y que salga la mayor cantidad posible de gases quemados.

(pulsa sobre la imagen para ver la animación)

- Por último, el proceso de ignición de la gasolina no es instantáneo, y la chispa debe producirse un poco antes de que el pistón alcance el PMS para que sea justo en ese instante cuando entre en contacto con la presión generada por la explosión.

Estos tres efectos provocan que el diagrama p-V real no coincida con el diagrama ideal, y por tanto, que el trabajo real que se obtiene del gas de dentro del cilindro sea inferior al teórico. La relación entre este trabajo real, al que se llama
trabajo indicado WI y el trabajo teórico constituye el rendimiento de diagrama:

 







Además, en los distintos mecanismos de un motor se pierde una parte de energía en forma de rozamiento. Por lo tanto, el trabajo que se obtiene de un motor real, que se llama trabajo útil o trabajo al eje WEJE, es una parte del trabajo indicado, y la relación entre ambos se denomina rendimiento mecánico:



CICLO DIESEL DE CUATRO TIEMPOS

En este segundo tipo de motores, durante el tiempo de admisión únicamente se absorbe aire. Después del tiempo de compresión el gasóil es introducido a presión cuando el émbolo está en el PMS, y se sigue introduciéndo mientras baja hacia el PMI, para conseguir una combustión a presión constante. Tras el tiempo de trabajo, se abre la válvula de escape y los gases son expulsados hacia el tubo de escape. El ciclo es el siguiente:

(pulsa sobre la imagen para ver la animación)

De forma similar al ciclo anterior, el trabajo y el rendimiento del ciclo Diesel vienen dados por las expresiones:


En el rendimiento aparece la relación de volúmenes rV, que es la que existe entre los volúmenes de final e inicio de la inyección rV = V4/V3. De forma análoga a lo que ocurre con el ciclo Otto, aquí también hay que hablar de rendimientos de diagrama y mecánico, para obtener el trabajo indicado y al eje.


Los mezcla de aire y gasolina de los motores Otto se solía producir en un carburador, pero en los motores modernos un inyector introduce la gasolina delante de la válvula de admisión justo antes de que ésta se abra.



Carburador


Inyección de gasolina

Los motores Diesel siempre tienen sistemas de inyección, por pequeñas bombas independientes para cada cilindro o de una bomba de gran potencia que pasa el gasóil a un conducto común (common rail) para todos los cilindros, y una electroválvula abre el inyector durante el período adecuado para que entre el chorro a presión dentro del propio cilindro (inyección directa).


Bomba mecánica de inyección Diesel


En todos los motores actuales, los inyectores se abren y cierran por la acción de un electroimán que atrae a la varilla de cierre:


Funcionamiento del inyector

Sistema de inyección Common rail


En ambos ciclos es corriente utilizar la energía de los gases de escape para producir el giro de una turbina, y con este giro impulsar un compresor que aumente la cantidad de aire que entra al cilindro. Son los motores turboalimentados.





Turbo de un automóvil

POTENCIA DE MOTORES DE CUATRO TIEMPOS

Para el cálculo de la potencia de los motores de cuatro tiempos hay que tener en cuenta que el trabajo útil de un ciclo se produce cada dos vueltas. Hay que calcular el trabajo que se realiza en un tiempo determinado, y ésto se hace con dos operaciones simples:

1º.-  A partir de la velocidad de rotación N que se mide en vueltas por minuto, r.p.m., se calcula el tiempo que tarda en producirse un ciclo: 


2º.- La potencia es el resultado de dividir el trabajo generado en un ciclo entre el tiempo que dura ese ciclo:





Para saber más:

Vídeo del despiece de un motor de cuatro tiempos

Inyección Diesel


Animación del sistema de Inyección Directa de gasoil

Turbocompresores




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