FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL MOTOR TÉRMICO
Motores Térmicos
Los motores térmicos tienen la función de convertir la energía calorífica en trabajo o movimiento; se clasifican en motores de combustión interna y de combustión externa. Los motores de combustión interna, como los de diesel, gasolina y gas queman combustible en el interior de sus cilindros.
Los motores de combustión externa tales como los de vapor o turbinas, queman combustible fuera del motor, y debido a esto el calor generado se debe dirigir al interior del cilindro para crear un trabajo mecánico.
En la actualidad los motores de combustión interna a gasolina se los utilizan en automóviles debido a su fácil manejo, pues son relativamente pequeños y de peso ligero. Son clasificados por su cilindrada, en vehículos compactos se pueden encontrar motores que van desde 900 cc hasta 2500 cc, en camionetas y camiones se equipan con motores desde 1900 cc hasta 4000 cc.
Cabe indicar que según datos de la Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador (AEADE), el 60% del parque automotor nacional está compuesto por autos con cilindradas de entre 1500 y 1900 cc, en su mayoría automóviles.
Otra clasificación de los motores es por disposición de los cilindros; tales como: 4 cilindros en línea, 4 cilindros opuestos, 5 cilindros en línea, 6 cilindros en línea, 6 cilindros en “V”, 8 cilindros en “V”. El número de cilindros será igual al número de bujías y de pistones que se utilizan en el motor.
Motor de combustión interna de 4 cilindros en Línea
Un motor de cuatro cilindros en línea es una configuración de motor de combustión interna en la que cuatro cilindros están dispuestos en una sola fila. Puede ser montado longitudinalmente o transversalmente, con cilindros y pistones verticales, o incluso parcialmente inclinado o en posición horizontal. Hoy es la configuración de motor utilizada en la mayoría de los automóviles de hasta 2,2 litros de cilindrada. El límite «práctico» para los motores de cuatro cilindros de cuatro tiempos es de alrededor de 2,5 litros. Sin embargo, a pesar de que existen motores de ciclo Otto cuyo límite es el mencionado, existen casos de motores de ciclo diesel cuya cilindrada llega o hasta sobrepasa los 3,0 litros. Una variante desarrollada en el siglo XXI fue el motor de cinco cilindros en línea de 2,5 litros, que en este caso, posee una distribución y desempeño equivalente a un motor 2,0 litros de cuatro cilindros en línea. Este motor comenzó a ser empleado por firmas como Honda,Volkswagen o Mercedes-Benz entre otras.
- No pueden ser colocados verticalmente porque la carrocería no sería suficientemente aerodinámica.
- No es recomendable en motores de más de cuatro cilindros pues el cigüeñal tendría una longitud demasiado grande y no habría suficiente espacio para colocar el motor transversal.
OPERACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Ciclo Otto
El motor de gasolina es un motor alternativo, de combustión interna, con encendido por chispa, de cuatro tiempos, que convierte la energía química que contiene el combustible en energía cinética.
El proceso se inicia con la mezcla homogénea de gasolina y aire fuera de la cámara de combustión en un elemento llamado carburador. La mezcla obtenida se hace llegar a dicha cámara, donde es comprimida. La combustión se inicia por un sistema de encendido externo al motor (bujía) de control temporizado. En el interior del cilindro se inflama y quema la mezcla de aire y gasolina. El calor generado por la combustión provoca un incremento en la presión de los gases, previamente comprimidos originando un trabajo mecánico a través del pistón, la biela y el cigüeñal. Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape y son sustituidos por una nueva porción de mezcla tras cada carrera de combustión, todo ello se produce según el principio de los cuatro tiempos.
- Admisión (E-A). El pistón desciende con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire y combustible) en la cámara. (Expansión a presión constante puesto que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior).
- Compresión (A-B). El pistón asciende comprimiendo la mezcla, ambas válvulas permanecen cerradas (Comprensión adiabática).
- Combustión (B-C). Con el pistón en el punto muerto superior, salta la chispa de la bujía, que inicia la combustión de la mezcla a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). BC.
- Expansión (C-D). Debido a la combustión se produce un ascenso brusco de temperatura que empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él, las válvulas continúan cerradas. (Expansión adiabática). C-D.
- Escape (D-A). Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, desde el punto de vista del balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, el volumen permanece aproximadamente constante D-A.
- Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, A-E, cerrando el ciclo.
Observando el ciclo Otto ideal, podemos considerar despreciables los procesos de admisión y de escape a presión constante A-E y E-A, puesto que son idénticos en la gráfica y de sentido opuesto, por lo que el calor y el trabajo intercambiados entre ellos se anulan mutuamente.
Traslape Valvular
En teoría, las válvulas se abren y se cierran cuando el pistón esta exactamente en el punto muerto superior (PMS) o en el punto muerto inferior (PMI).
En la práctica existe un corto periodo de traslape en el cual las dos válvulas se abren simultáneamente esto permite que la mezcla entre al cilindro y que al mismo tiempo salgan los gases quemados.
A este intervalo en el cual las dos válvulas se mantienen abiertas se denomina traslape valvular que es cuando las válvulas hacen que se junten o encimen dos bases que son las de admisión y escape y por eso decimos cuando está por cerrar escape y abre admisión se forma el traslape valvular y este dura hasta que la válvula de escape se cierre completamente como se indica en la Fig. 2-3.
CÁMARA DE COMBUSTIÓN
La cámara de combustión es el pequeño espacio o volumen comprendido entre la cabeza del pistón y la culata, donde la mezcla aire y combustible es comprimida por el pistón durante su carrera de compresión. Cualquiera que sea el diseño elegido por el fabricante para su posterior fabricación, el volumen de la cámara de combustión es el factor decisivo en lo que concierne a la relación de compresión del motor.
En consecuencia la relación de compresión se puede incrementar reduciendo el volumen de la cámara de combustión, lo cual significa que la mezcla de gasolina y aire se comprime hasta una presión mayor antes de que ocurra el encendido.
En consecuencia se producirá mayores presiones para empujar al pistón hacia abajo durante su carrera. Por consiguiente hay un límite hasta donde puede aumentar la relación de compresión antes de que el riesgo de “explotar” se vuelva un problema.
En la actualidad se han ido modificando los motores a gasolina con el objetivo de ir reduciendo los valores de las relaciones de compresión aproximadamente a 8:1, de manera que ya no se requiere un aditivo de plomo en la gasolina.
RELACIÓN DE COMPRESIÓN
La relación de compresión son las veces que cabe la cámara de combustión en el recorrido. Si la cámara de combustión cabe 9 veces en la carrera del pistón la relación de compresión es de 9:1. (Véase en la Fig. 2-4)
En los motores a diesel normalmente encontramos que su cámara de combustión es mucho menor que en los motores a gasolina, un ejemplo de relación de compresión de un motor diesel es de 25:1. En los motores a gasolina es máximo de 9,5: 1.
Cilindrada
Es la capacidad de llenado volumétrico total de todos los cilindros del motor, esto quiere decir que si colocamos los pistones en el PMI, en un motor de 4 tiempos donde su cilindrada es de 2 litros y si agregamos 2 litros de agua, los 4 cilindros se llenarían en su totalidad.La cilindrada del motor se puede especificar en litros, pulgadas cubicas de desplazamiento y cm3 de desplazamiento, en cualquier valor en litros. A continuación se presentará la fórmula para obtener la cilindrada total de un motor.
CT= π/4 = 0.7853 x No. De cilindros.
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