MOTORES DE COMBUSTION INTERNA PRINCIPIOS TERMODINAMICOS DE LA COMBUSTION PRINCIPIOS BÁSICOS En este apartado se darán los conceptos básicos necesarios para entender el funcionamiento físico de los motores de combustión interna, tanto a nivel termodinámico, como a nivel de trabajo trabajo final realizado por el motor. motor. Se explicara explicara cómo funciona el ciclo de cada motor de combustión interna (Otto y iesel!.
PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS "a finalidad de un motor es la de realizar un trabajo lo más eficazmente posible, para eso varias personas idearon el motor de combustión interna #ue remplazaría a la má#uina de vapor, de esta manera optimizarían el mundo del motor. En el caso de los motores de combustión interna, el trabajo a realizar se consi$ue $racias a una explosión, esa explosión se consi$ue $racias a la ener$ía interna del combustible #ue se enciende. %odo %odo combus combustib tible le tiene tiene una ener$í ener$íaa interna interna #ue puede puede ser transf transform ormada ada en trabaj trabajo, o, entonces, en los motores de combustión interna, la ener$ía utilizada para #ue el motor realice un trabajo es la ener$ía interna del combustible. Esta ener$ía interna se manifiesta con un aumento de la presión y de la temperatura (explosión!, #ue es lo #ue realizará un trabajo.
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CINEMÁTICA DEL MOTOR MOTOR &n motor de combustión interna basa su funcionamiento, como su nombre lo indica, en el #uemado de una mezcla comprimida de aire y combustible dentro de una cámara cerrada o cili ci lind ndro ro,, co con n el fi fin n de in incr crem emen enta tarr la pr pres esió ión n y $e $ener nerar ar con su sufi fici cient entee pot poten enci ciaa el movimiento lineal alternativo del pistón (ver fi$ura!. Este movimiento es transmitido por medio de la biela al eje principal del motor o ci$'eal, donde se convierte en movimiento rotativo, el cual se transmite a los mecanismos de transmisión de potencia (caja de velocidades, ejes, diferencial, etc.! y finalmente a las ruedas, con la potencia necesaria para desplazar el ve)ículo a la velocidad deseada y con la car$a #ue se necesite transportar.
El motor de combustión interna *ediante el proceso de la combustión desarrollado en el cilindro, la ener$ía #uímica contenida en el combustible es transformada primero en ener$ía calorífica, parte de la cual se transforma en ener$ía cin+tica (movimiento!, la #ue a su vez se convierte en trabajo til aplicable a las ruedas propulsoras- la otra parte se disipa en el sistema de refri$eración y el sistema de escape, en el accionamiento de accesorios y en perdidas por fricción. En este tipo de motor es preciso preparar la mezcla de aire y combustible convenientemente dosificada, lo cual se realizaba antes en el carburador y en la actualidad con los inyectores en los sistemas con control electrónico. espu+s de introducir la mezcla en el cilindro, es necesario provocar la combustión en la cámara de del cilindro por medio de una c)ispa de alta tensión #ue la proporciona el sistema de encendido.
El principio de funcion!ien"o de un !o"or de co!#u$"i%n in"ern En un motor el pistón se encuentra ubicado dentro del cilindro, cuyas paredes le restrin$en el movimiento lateral, permitiendo solamente un desplazamiento lineal alternativo entre el punto muerto superior (*S! y el punto muerto inferior (*/!- a dic)o desplazamiento se le denomina carrera (ver fi$ura 0.1!.
Figura: El conjunto móvil %anto el movimiento del pistón como la presión ejercida por la ener$ía liberada en el proceso de combustión son transmitidos por la biela al ci$'eal (ver fi$ura!. Este ltimo es un eje ase$urado por los apoyos de bancada al blo#ue del motor, y con unos descentramientos en cuales se apoyan las bielas, #ue son los #ue permiten #ue el movimiento lineal del pistón transmitido por la biela se transforme en un movimiento circular del ci$'eal. Este movimiento circular debe estar sincronizado principalmente con el sistema de encendido y con el sistema valvular, compuesto principalmente por el conjunto de válvulas de admisión y de escape, cuya función es la de servir de compuerta para permitir la entrada de mezcla y la salida de $ases de escape (ver fi$ura!. 2ormalmente las válvulas de escape son aleadas con cromo con pe#ueas adiciones de ní#uel, man$aneso y nitró$eno, para incrementar la resistencia a la oxidación debido a las altas temperaturas a las #ue trabajan y al contacto corrosivo de los $ases de escape.
Figura Sistema de válvulas
MOTOR DE & TIEMPOS El motor de dos tiempos fue el primer motor de combustión interna #ue se construyó. "a fabricación, mantenimiento y funcionamiento es muc)o más sencillo #ue el motor de cuatro tiempos, a continuación explicaremos sus partes básicas y el ciclo de funcionamiento. ara la construcción de un motor de dos tiempos nos podemos basar en dos ciclos, el Otto y el i+sel. En este apartado solo citaremos el motor de dos tiempos de Otto, ya #ue el i+sel no se utiliza )oy en día.
(Motor de 2 estructura básica con el nombre de motor!"
Ciclo O""o de & (er "ie!po' 6uando el pistón bajo, es decir en (*/!, empieza "a lumbrera de carburante (aire cilindro. &na carburante el mientras
tiempos: Aquí vemos la de un motor de dos tiempos todas las pieas básicas del
"ie!po$' 3dmisión 4 compresión5 está en el punto más el unto *uerto /nferior el proceso de admisión. admisión deja pasar el y combustible! )acia el vez aspirado el pistón va ascendiendo comprime la mezcla.
&) "ie!po' Expansión 7 escape de $ases5 En el momento #ue el pistón está en el punto más alto, es decir, el unto *uerto Superior (*S!, la bujía (en caso del ciclo Otto! )ace saltar una c)ispa #ue enciende la mezcla, incrementando la presión en el cilindro y )ace desplazar al pistón )acia abajo. 6uando está a la altura de la lumbrera de escape, la propia presión de los $ases tiende a salir del cilindro, dejando al cilindro vacío para volver a empezar un nuevo ciclo. Este motor como podemos observar )ace un trabajo en cada revolución, es decir una explosión en cada vuelta del ci$'eal. Esto crea una mayor potencia frente a los motores de cuatro tiempos #ue )acen una explosión cada dos vueltas del motor. %ambi+n, el motor de dos tiempos incorpora menos piezas móviles como las válvulas, levas, árbol de levas, etc, y su funcionamiento es más sencillo. En contrapartida el motor de cuatro tiempos )ay más facilidades a la )ora de modificarlo, rinde muc)o más, consumiendo muc)o menos y contaminando menos. Este tipo de motor, )oy en día an se utiliza, aun#ue siempre en motores de pe#uea cilindrada como5 ciclomotores, cortac+sped, motosierras, etc. El combustible utilizado en el motor Otto de dos tiempos, al i$ual #ue en el ciclo Otto de cuatro tiempos es llamado comnmente $asolina.
CICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS
Motor di#sel 2$% escape & admisión simultáneas"
En teoría, el ciclo di+sel difiere del ciclo Otto en #ue la combustión tiene lu$ar en este ltimo a volumen constante en lu$ar de producirse a una presión constante. "a mayoría de los motores di+sel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamao muy $rande, ferroviario o marino, #ue son de dos tiempos. "as fases son diferentes de las de los motores de $asolina. En la primera carrera, la de admisión, el pistón sale )acia fuera, y se absorbe aire )acia la cámara de combustión. En la se$unda carrera, la fase de compresión, en #ue el pistón se
acerca. el aire se comprime a una parte de su volumen ori$inal, lo cual )ace #ue suba su temperatura )asta unos 89: ;6. 3l final de la fase de compresión se inyecta el combustible a $ran presión mediante la inyección de combustible con lo #ue se atomiza dentro de la cámara de combustión, produci+ndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, los $ases producto de la combustión empujan el pistón )acia fuera, trasmitiendo la fuerza lon$itudinal al ci$'eal a trav+s de la biela, transformándose en fuerza de $iro par motor . "a cuarta fase es, al i$ual #ue en los motores Otto, la fase de escape, cuando vuelve el pistón )acia dentro. 3l$unos motores di+sel utilizan un sistema auxiliar de i$nición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. "a eficiencia o rendimiento (proporción de la ener$ía del combustible #ue se transforma en trabajo y no se pierde como calor! de los motores di+sel dependen, de los mismos factores #ue los motores Otto, es decir de las presiones (y por tanto de las temperaturas! inicial y final de la fase de compresión. or lo tanto es mayor #ue en los motores de $asolina, lle$ando a superar el 0:<. en los $randes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este valor se lo$ra con un $rado de compresión de 1: a = aproximadamente, contra > a = en los Otto. or ello es necesaria una mayor robustez, y los motores di+sel son, por lo $eneral, más pesados #ue los motores Otto. Esta desventaja se compensa con el mayor rendimiento y el )ec)o de utilizar combustibles más baratos. "os motores di+sel $randes de 1% suelen ser motores lentos con velocidades de ci$'eal de =:: a ?9: revoluciones por minuto (rpm o r@min! ($randes barcos!, mientras #ue los motores de 0% trabajan )asta 1.9:: rpm (camiones y autobuses! y 9.::: rpm. (3utomóviles!
MOTOR DE * TIEMPOS El motor de 0 tiempos fue toda una revolución en el mundo del motor, desde #ue 3lp)onse Aeau de Boc)as ideó este ciclo y más tarde 2iColaus 3u$ust Otto lo mejoró, )a )abido muc)os más cambios #ue )an mejorado su rendimiento y )asta )oy en día es utilizado.
(Motor de ' tiempos: Aquí vemos la estructura básica de un motor de cuatro tiempos con el nombre de todas las pieas básicas del motor!"
Ciclo O""o de * "ie!po$'
(er "ie!po' 3dmisión5 En el momento #ue el pistón está en el punto más alto (*S!, la válvula de admisión se abre y el propio pistón por el vacío #ue se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible! )asta lle$ar al p unto más bajo del cilindro (*/!.
&) "ie!po' 6ompresión5 espu+s del ciclo de admisión, el pistón se encuentra en el punto más bajo (*/!, en este momento la válvula de admisión se cierra y el pistón empieza a ascender comprimiendo la mezcla )asta lle$ar al punto más alto del cilindro (*S!.
+er "ie!po' Expansión5 &na vez #ue en la carrera de compresión se )a comprimido la mezcla, la bujía )ace saltar una c)ispa y enciende la mezcla, aumentando la presión en el cilindro y )aciendo descender el pistón )acia el punto más bajo (*/!. En esta carrera de expansión es donde se realiza el trabajo til.
*) "ie!po' Escape de $ases5 6uando el pistón lle$a al punto más bajo (*/!, se abre la válvula de escape y el pistón empieza a ascender empujando los $ases #uemados )acia el exterior. En el momento #ue lle$a al punto más alto (*S! la v álvula de escape se cierra.
Ciclo Die$el de * "ie!po$
(er "ie!po' 3dmisión5 En el momento #ue el pistón está en el punto más alto (*S!, la válvula de admisión se abre y el pistón aspira aire fresco (a diferencia del ciclo Otto de 0 tiempos! )asta lle$ar al punto más bajo del cilindro (*/!.
&) "ie!po' 6ompresión5 espu+s del ciclo de admisión, el pistón se encuentra en el punto más bajo (*/!, en este momento la válvula de admisión se cierra y el pistón empieza a ascender comprimiendo el aire )asta lle$ar al punto más alto del cilindro (*S!.
+er "ie!po' Expansión5 &na vez #ue en la carrera de compresión se )a comprimido la mezcla, el inyector se encar$a de inyectar el combustible dentro del cilindro. "a propia presión del aire enciende la mezcla, aumenta la presión en el cilindro y desciende el pistón )acia el punto más bajo (*/!. En esta carrera de expansión es donde se realiza el trabajo til.
*) "ie!po' Escape de $ases5 6uando el pistón lle$a al punto más bajo (*/!, se abre la válvula de escape y el pistón empieza a ascender empujando los $ases #uemados )acia el exterior. En el momento #ue lle$a al punto más alto (*S! la v álvula de escape se cierra. El motor iesel de 0 tiempos es la má#uina t+rmica más eficiente de todos los tiempos, superando al ciclo Otto con creces. Ese rendimiento tan alto se consi$ue #ue al entrar solo aire, la carrera de compresión puede ser muc)o más eficaz comprimiendo muc)o más sin problemas de detonación y realizando más trabajo. En contrapartida la velocidad máxima del motor está muy limitada, ya #ue para #ue se encienda la mezcla )ace falta un volumen mínimo de aire.
PARTES DEL MOTOR En el motor de combustión interna, tanto en los motores de 1 tiempos y 0 tiempos, la finalidad de cada sistema $eneral de alimentación, distribución, encendido, refri$eración y lubricación es acabar en una de las D partes si$uientes5 Alo#ue motor 6ulata 6árter
Estas tres partes del motor, son las partes vitales, por#ue como ya )emos dic)o antes, cual#uier sistema su objetivo es acabar a#uí para realizar su función.
BLO,UE MOTOR El blo#ue es la parte más $rande del motor, en el se instalan los cilindros donde a#uí los pistones suben y bajan. %ambi+n por a#uí se instalan los espárra$os de unión con la culata y pasa el circuito de lubricación y el circuito de refri$eración. "os materiales utilizados para la construcción del blo#ue )an de ser materiales capaces de resistir las altas temperaturas, ya #ue a#uí se realizan tambi+n los procesos de expansión y escape de $ases. Feneralmente el blo#ue motor está construido en aleaciones de )ierro con aluminio, con pe#ueas porciones de cromo y ní#uel. 6on esta aleación conse$uimos un material de los cilindros nada poroso y muy resistente al calor y al des$aste.
3B%ES E" A"OG&E *O%OB En el blo#ue motor se encuentran los distintos componentes5 Hunta de culata. 6ilindros. istones. 3nillos. Aulones. Aielas. 6i$'eal 6ojinetes Iolante motor
(- .un" de cul" "a junta de culata es la encar$ada de sellar la unión entre la culata y el blo#ue de cilindros. Es una lámina muy fina fabricada $eneralmente de acero aun#ue tambi+n se le unen diversos materiales como el asbesto, latón, cauc)o y bronce. "a junta de culata posee las mismas perforaciones #ue el blo#ue motor, la de los pistones, los espárra$os de sujeción con la culata y los conductos de refri$eración y lubricación, para poder enviar a +stos a la culata.
&- Cilindro$ En los cilindros es donde los pistones realizan todas sus carreras de admisión, compresión, expansión y escape. Es una cavidad de forma cilíndrica. En el interior de los cilindros las paredes son totalmente lisas y se fabrican con fundiciones de acero aleadas con ní#uel, molibdeno y cobre. En al$unos casos se les alea con cromo para una mayor resistencia al des$aste. En el cilindro se adaptan unas camisas colocadas a presión entre el blo#ue y el cilindro, la cual es elemento de recambio o modificación en caso de una reparación. e esta manera
conse$uimos #ue el blo#ue este más separado del calor y podemos utilizar materiales más li$eros como el aluminio para la su construcción.
+- Pi$"one$ El pistón es el encar$ado de darle la fuerza $enerada por la explosión a la biela, para #ue ella )a$a el resto. ebido a los esfuerzos tanto de fricción como de calor a los #ue está sometido el pistón, se fabrica de materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo físico pero siempre empleando materiales lo más li$eros posibles, para así aumentar su velocidad y poder alcanzar re$ímenes de rotación elevados. "os pistones se acostumbran a fabricar de aleaciones de aluminio7silicio, ní#uel y ma$nesio en fundición. ara mejorar el rendimiento del motor y posibles fallos y averías, se construyen pistones sin falda, es decir, se reduce el rozamiento del pistón con el cilindro $racias a #ue la parte #ue roza es muc)o menor.
*- Anillo$ "os anillos van montados en la parte superior del cilindro, rodeando completamente a +ste para mantener una buena compresión sin fu$as en el motor. "os anillos, tambi+n llamados se$mentos, son los encar$ados de mantener la estan#ueidad de compresión en la cámara de combustión, debido al posible escape de los vapores a presión tanto de la mezcla como de los productos de la combustión. %ambi+n se monta un anillo de en$rase, para poder lubricar el cilindro correctamente. "os anillos o se$mentos suelen fabricarse de )ierro aleado con silicio, ní#uel y man$aneso.
/- Bulone$ Es el elemento #ue se utiliza para unir el pistón con la biela, permitiendo la articulación de esa unión. El bulón normalmente se construye de acero cementado y templado, con proporciones de carbono, cromo, man$aneso y silicio. ara #ue el bulón no se sal$a de la unión pistón@biela y ralle la pared del cilindro, se utilizan distintos m+todos de fijación del bulón.
0- Biel$ "a biela es la pieza #ue está encar$ada de transmitir al ci$'eal la fuerza recibida del pistón. "as bielas están sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresión, tracción y tambi+n de flexión muy duros y por ello, se fabrican con materiales muy resistentes pero a la vez )an de ser lo más li$eros posibles. Feneralmente están fabricadas de acero al cromo7molibdeno
con silicio y man$aneso, acero al cromo7vanadio o al cromo7ní#uel o tambi+n podemos encontrar bielas fabricadas de acero al carbono aleado con ní#uel y cromo. 3un#ue es una sola pieza en ella se diferencian tres partes pie, cuerpo y cabeza. El pie de la biela es el #ue la une al pistón por medio del bulón, el cuerpo ase$ura la ri$idez de la pieza y la cabeza $ira sobre el codo del ci$'eal. Feneralmente las bielas están perforadas, es decir, se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presión desde la cabeza )asta el pasador, con el fin de lo$rar una buena lubricación.
1- Ci23e4l El ci$'eal es el encar$ado de transformar el movimiento de la biela en movimiento rotatorio o circular. Hunto con el pistón y la biela, se considera la pieza más importante del motor. El ci$'eal es un eje, provisto de manivelas y contrapesos, dentro de los cuales $eneralmente se encuentran orificios de lubricación. El ci$'eal es una pieza #ue )a de soportar $randes esfuerzos, por eso se construye de materiales muy resistentes para #ue puedan a$uantar cual#uier movimiento sin romperse. "os ci$'eales normalmente se fabrican de acero al 6romo7*olibdeno con cobalto y ní#uel.
5- Co6ine"e$ "os cojinetes son los encar$ados de unir la biela con el ci$'eal para evitar #ue )aya rozamiento entre ellos, para evitar p+rdidas de p otencia y averías. %ienen forma de media luna y se colocan entre el ci$'eal y la cabeza de las bielas. 2ormalmente se fabrican de acero, revestidos de un metal antifricción conocido como metal Aabbitt. "os cojinetes tienen #ue estar construidos con $ran exactitud, cual#uier poro o mala construcción de +ste puede )acer funcionar mal el motor, por eso en caso de avería se )a de cambiar inmediatamente.
7- 8oln"e !o"or El volante motor o volante de inercia es el encar$ado de mantener al motor estable en el momento #ue no se acelera. En el volante motor se suelen acoplar distintos elementos del motor para recibir movimiento del motor mediante correas o cadenas (árbol de levas, bomba de a$ua y aceite, etc!.
El volante motor es una pieza circular #ue ofrece una resistencia a ser acelerado o desacelerado. En el momento en #ue el motor no se acelera, es decir (fase de admisión, compresión y escape! se )a de mantener la velocidad del motor para #ue no )aya una caída de rpm. El volante motor puede estar construido de materiales distintos, dependiendo si #ueremos un volante motor muy pesado o li$ero. El volante motor pesado mantendrá mejor la velocidad del motor, pero perderemos al$o de aceleración. Si el volante motor es más li$ero, tenderá a caer más de rpm, pero la aceleración del mismo será más rápido, por eso los volantes li$eros se montan en motores con un nmero considerable de cilindros.
CULATA "a culata es la parte superior del motor en donde se encuentran las válvulas de admisión y de escape, el eje de levas, las bujías y las cámaras de combustión. En la culata es donde encontramos todo el sistema de distribución, aun#ue anti$uamente el eje de levas se encontraba en la parte inferior del motor. "a culata tambi+n tiene conductos de refri$eración y lubricación al i$ual #ue el blo#ue motor, para #ue por a#uí pasen los correspondientes lí#uidos. "a culata es la parte estática del motor #ue más se calienta, por eso su construcción )a de ser muy cuidadosa. &na culata debe ser resistente a la presión de los $ases, ya #ue en la cámara de combustión se producen $randes presiones y temperaturas, poseer buena conductividad t+rmica para mejorar la refri$eración, ser resistente a la corrosión y poseer un coeficiente de dilatación exactamente i$ual al del blo#ue motor. "a culata, al i$ual #ue el blo#ue motor, se construye de aleaciones de )ierro con aluminio, con pe#ueas porciones de cromo y ní#uel.
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE El sistema de alimentación de combustible es el #ue tiene como objetivo trasladar el combustible )asta el cilindro y mezclar el aire y el combustible en las proporciones adecuadas. Sin este sistema de alimentación de combustible, además de #ue no podríamos enviar el combustible al cilindro, la mezcla de aire y combustible no estaría medida, por lo #ue afectaría al rendimiento del motor y al consumo, y provocaría un mal funcionamiento del motor en conjunto. ara mezclar el aire con el combustible en las porciones necesarias se utilizan dos sistemas distintos5 3limentación por carburador Sistemas de inyección
