FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

4.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CINEMÁTICA DEL MOTOR

Un motor de combustión interna basa su funcionamiento, como su nombre lo indica, en el quemado de una mezcla comprimida de aire y combustible dentro de una cámara cerrada o cilindro, con el fin de incrementar la presión y generar con suficiente potencia el movimiento lineal alternativo del pistón (ver figura 4.1).

Figura 4.1 El motor de combustión interna

 

Este movimiento es transmitido por medio de la biela al eje principal del motor o cigüeñal, 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 vehículo a la velocidad deseada y con la carga que se necesite transportar.

Mediante el proceso de la combustión desarrollado en el cilindro, la energía química contenida en el combustible es transformada primero en energía calorífica, parte de la cual se transforma en energía cinética (movimiento), la que a su vez se convierte en trabajo útil aplicable a las ruedas propulsoras; la otra parte se disipa en el sistema de refrigeración 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. Después de introducir la mezcla en el cilindro, es necesario provocar la combustión en la cámara de del cilindro por medio de una chispa de alta tensión que la proporciona el sistema de encendido.

4.1.1 El principio de funcionamiento de un motor de combustión interna

En un motor el pistón se encuentra ubicado dentro del cilindro, cuyas paredes le restringen el movimiento lateral, permitiendo solamente un desplazamiento lineal alternativo entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI); a dicho desplazamiento se le denomina carrera (ver figura 4.2).

Figura 4.2 El conjunto móvil.

 

Tanto el movimiento del pistón como la presión ejercida por la energía liberada en el proceso de combustión son transmitidos por la biela al cigüeñal (ver figura 4.2). Este último es un eje asegurado por los apoyos de bancada al bloque del motor, y con unos descentramientos en cuales se apoyan las bielas, que son los que permiten que el movimiento lineal del pistón transmitido por la biela se transforme en un movimiento circular del cigüeñal.

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 gases de escape (ver figura 4.3).

Normalmente las válvulas de escape son aleadas con cromo con pequeñas adiciones de níquel, manganeso y nitrógeno, para incrementar la resistencia a la oxidación debido a las altas temperaturas a las que trabajan y al contacto corrosivo de los gases de escape.

Figura 4.3 Sistema de válvulas

 

4.2 EL CICLO DE FUNCIONAMIENTO TEÓRICO DE CUATRO TIEMPOS

La mayoría de los motores de combustión interna trabajan con base en un ciclo de cuatro tiempos, cuyo principio es el ciclo termodinámico de Otto (con combustible gasolina o gas) y el ciclo termodinámico de Diesel (con combustible A.C.P.M.). Por lo tanto, su eficiencia está basada en la variación de la temperatura tanto en el proceso de compresión isentrópico1, como en el calentamiento a volumen (Otto) o presión constante (Diesel).

El ciclo consiste en dos carreras ascendentes y dos carreras descendentes del pistón. Cada carrera coincide con una fase del ciclo de trabajo (ver figura 4.4), y recibe el nombre de la acción que se realiza en el momento, así:

Admisión Compresión

Combustión - Expansión

Escape

 

Motor de combustión Interna

Resumen

Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se emplean motores de combustión interna de cuatro tipos:El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica.El motor diesel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleoEl motor rotatorio.La turbina de combustión.Casi todos los automóviles de hoy utilizan lo que es llamado un ciclo de combustión de cuatro tiempos para convertir gasolina a movimiento. El ciclo de cuatro tiempos también es conocido como ciclo de OTTO, en honor a Nikolaus Otto. Estos son:1. Admisión: El pistón baja en el momento en que la válvula de admisión se abre, permitiendo el ingreso de la mezcla aire/gasolina.

2. Compresión: El pistón sube comprimiendo la mezcla aire/gasolina, las dos válvulas están cerradas.3. Explosión: El pistón llega al máximo de su recorrido TDC , la bujía entrega la chispa, se produce la explosión y el pistón es impulsado hacia abajo.4. Escape: El pistón sube nuevamente, pero esta vez la válvula de escape se encuentra abierta permitiendo la salida de los gases quemados.Estos motores pueden ser, básicamente, atmosféricos o sobrealimentados por medio de un turbo. Todos ellos con inyección electrónica. Aunque también funcionaban mediante un sistema de carburación este tipo de ingreso de combustible ya ha quedado rezagado.Antecedentes

Desde su presencia en la Tierra, el hombre se ha movido por la superficie del planeta, primero como un nómada y después, ya establecido, para comunicarse con otros asentamientos humanos.Los caminos y las rutas comerciales empezaron a surcar el mundo las caravanas con productos a la espalda de porteadores y a lomo de animal dejaron su huella durante muchos años. Después, con la invención de la rueda y el carro, aquellos caminos se ensancharon grandes volúmenes de mercancías comenzaron a fluir a la velocidad permitida por la tracción animal y esta historia se prolongó también por muchos años... hasta la invención de l a máquina de vapor y su aplicación a la locomotora. Como ya sabemos, la máquina de vapor consistía básicamente en una caldera con agua a la que se le aplicaba el calor producido por un fogón en la parte exterior. El vapor generado por la ebullición del agua se conducía a unos grandes émbolos y su fuerza expansiva movía las ruedas de la locomotora que arrastraba así grandes convoyes. La máquina de vapor era pues, un motor de combustión externa que rápidamente evolucionó y logró ser aplicado en los primeros intentos por sustituir al caballo en la tracción de carros. Sin embargo, no fue sino hasta el desarrollo del motor de combustión interna, que se logró integrar el concepto moderno de automóvil; un vehículo que se mueve por sí mismo, impulsado por la fuerza generada al quemar su combustible dentro del motor.Los motores hidráulicos son los más antiguos conocidos (Herón de Alejandría, S. I a. J.C.), utilizaban como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura, llamada salto. Esta energía se transforma en trabajo útil disponible en el eje de la máquina, que antaño era la rueda hidráulica, actualmente la turbina. El motor nace por la necesidad de trabajos que, bien por duración, intensidad, manejabilidad omantenimiento, no puede ser realizado por animales. El motor de combustión interna ha conservado hasta la fecha sus características fundamentales, si bien ha sufrido en los últimos años modificaciones y refinamientos que lo han convertido en una máquina altamente sofisticada que incorpora los más avanzados sistemas de control electrónico, la mayoría de los cuales tiene por objeto el máximo aprovechamiento del combustible y la reducción consecuente de las emisiones contaminantes.Investigación

Diagrama de flujo funcional del Motor de combustión interna del motor tipo Otto

Propiedades termodinámicas de la gasolina: Puesto que la investigación se hará para los motores de combustión interna del motor tipo Otto, la investigación de propiedades es para su combustible, en este caso, la gasolina. La gasolina tiene cuatro propiedades principales:OctanajePropiedad principal de la gasolina ya que está altamente relacionada al rendimiento del motor del vehículo. El octanaje se refiere a la medida de la resistencia de la gasolina a ser comprimida en el motor. Esta se mide como el golpeteo o detonación que produce la gasolina comparada con los patrones de referencia conocidos de iso -octano y N-heptano, cuyos números de octano son 100 y cero respectivamente.Curva de destilación:Esta propiedad se relaciona con la composición de la gasolina, su volatilidad y su presión de vapor. Indica la temperatura a la cual se evapora un porcentaje determinado de gasolina, tomando una muestra de referencia.Volatilidad:La volatilidad es una propiedad la cual se mida al igual que la presión de vapor. Esta registra de manera indirecta el contenido de los componentes volátiles que brinden la seguridad del producto durante su transporte y almacenamiento. Esta propiedad debe a su vez estar en relación con las características del ambiente de altura, temperatura y humedad, para el diseño del almacenamiento del producto.Contenido de azufre:Esta propiedad se encuentra altamente relacionada con la cantidad poseída de azufre (S) presente en el producto. Dentro de la cantidad, se encuentran determinados promedios y estadísticas en la cual en producto no puede sobrepasar o resaltar, ya que si esto sucede la gasolina puede tener efectos corrosivos sobre las partes metál icas del motor y sobre los tubos de escape. A su

vez, al salir del caño de escape, esta produce un alto grado de contaminación en el ambiente, produciendo a su vez las conocidas lluvias ácidas.Norma SAELa norma, o más bien la clasificación SAE aplica para los lubricantes, clasifica a los aceites de acuerdo a la viscosidad del lubricante y los divide en: monogrados (a estos se les asigna un número el cual es indicativo de su viscosidad) y multigrados (se les asigna dos números y entre ellos se coloca la letra W de Winter que significa invierno en inglés).Los aceites monogrados tienen la característica de que su viscosidad cambia de manera importante con la temperatura, cuando ésta baja, su viscosidad se incrementa y cuando aumenta su viscosidad disminuye. Entre los aceites monogrados se tienen:• SAE40 Usado en motores de trabajo pesado y en tiempo de mucho calor (verano)• SAE30 Sirve para motores de automóviles en climas cálidos• SAE20 Empleado en climas templados o en lugares con temperaturas inferiores a 0°C, antiguamente se utilizaba para asentamiento en motores nuevos. Actualmente esto no se recomienda• SAE10 Empleado en climas con temperaturas menores de 0°C.Clasificación api para servicio de los aceitesEl Instituto Americano del Petróleo clasifica a los aceites de acuerdo al tipo de motor en el cual será utilizado, los divide en aceites para motores a gasolina o para diesel y les asigna dos letras: la primera indica el tipo de motor; si es de gasolina, esta letra es una "S" del inglés spark (chispa) si la letra es una "C" (del inglés compression) el aceite es para un motor a diesel. La segunda letra que forma la pareja indica la calidad del aceite.Debido a que se eligieron motores de gasolina, se utilizara la siguiente clasificación:•SA Típico para motores en condiciones ideales en donde son adecuados los aceites minerales simples (obsoleto)• SB Para motores cuyo funcionamiento se asemeja al anterior, para motores que necesitan un aceite que les brinde protección contra rayaduras, resistencia a la oxidación y a la corrosión (obsoleto)•SC Para vehículos de 1964 a 1967, incluye aditivos detergentes y dispersantes a la vez ofrecen protección contra el desgaste, la herrumbre y la corrosión • SD Para motores a partir de 1968 ofrecen mayor protección contra el desgaste, la herrumbre y la corrosión• SE Para motores modelo 1972 y posteriores, ofrecen mayor protección contra corrosión, los depósitos por alta temperatura (lodos) y la oxidación del aceite• SF Para motores a partir de 1980, efectúa protección contra oxidación del aceite, formación de depósitos, herrumbe y corrosión• SG Adecuado para motores modelo 1989, se recomienda usar en motores recién reparados• SH Adecuado para motores modelo 1993 de inyección electrónica de combustible, turbocargados o supercargados

• SJ Adecuado para motores modelo 1996 turbocargados, supercargados o de inyección electrónica, especialmente preparado para reducir el desgaste durante el arranque y reducir el consumo de combustibleViabilidad del motor de combustión interna en MéxicoEl motor de combustión interna ha sido muy viable en este país, debido a que la manufactura es muy económica, sin embargo las tendencias que han surgido en estos últimos años motiva realizar cambios importantes, el principal de ellos es el cuidado del medio ambiente, ya que los productos de la combustión, resultan muy dañino para el ecosistema, por otra parte, la carencia de combustibles que se ha suscitado, es otro motivo por el cual deben de postularse cambios alrededor del funcionamiento de este, sin embargo, esos cambios se han visto demasiado tardíos, por varias situaciones que no analizaremos en estos momentos, por lo que podemos decir que las mejoras tendrán que esperar al menos ahora que es viable, seguramente veremos cambios hasta que sea completamente inviableRápida descripción sobre los motores de combustión internaUn motor de combustión interna tipo Otto es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte prin cipal de un motor.Perspectivas y análisis

Podemos decir que los motores de combustión interna han sido un invento que revoluciono la forma de vida del humano, sin embargo los cambios que han surgido recientemente han creado nuevas necesidades, en las cuales sea más eficiente y menos contamínate, aunado a la carencia de combustible para este, a pesar de que las soluciones a estos problemas se han visto ralentizadas por diversas circunstancias si han surgido avances, cabe mencionar que el principio de cómo funciona este motor, se ha preservado en las diversas soluciones, tal y como el biodiesel o el de quema de hidrogeno y aunque en cuestión de eficiencia deja mucho que desear sin él sería difícil que hubiéramos tenido tantos avances. Podemos concluir diciendo que a pesar de las desventajas este motor persistirá y lo seguiremos viendo y utilizando en el futuro.

Cómo funciona un motor de 4 t iempos?

Un motor de combustión interna es básicamente una máquina que mezcla oxígeno con combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse (combustión).Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos. 

Motor a Gasolina o AlcoholEn la figura animada que aparece más abajo se puede apreciar el funcionamiento del motor de 4 tiempos.

1er tiempo: carrera de admisión. Se abre la vávula de admisión, el pistón baja y el

cilindro se llena de aire mezclado con combustible. 

2do tiempo: carrera de compresión. Se cierra la válvula de admisión, el pistón sube y comprime la mezcla de aire/gasolina. 

3er tiemp: carrera de expansión. Se enciende la mezcla comprimida y el calor generado por la combustión expande los gases que ejercenpresión sobre el pistón. 

4to tiempo: carrera de escape. Se abre la vávula de escape, el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior, expulsando los gases quemados.   

GENERALIDADES

Los motores se utilizan para ...

Los motores se utilizan para realizar un trabajo mecánico, siendo muy variado el rango de aplicaciones, se los puede ver accionando: maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras), propulsión ferroviaria, propulsión marina, automóviles, grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia), accionamiento industrial (bombas, compresores, etc. especialmente de

emergencia), bombas de superficie, generadores, vehículos en general, compresores, etc

Ante este múltiple uso, conviene ...

Ante este múltiple uso, conviene el estudio teórico y práctico de los principales motores de combustión interna. A pesar de que la tecnología de este tipo de motor tiene poco más de 100 años, son muchos los cambios que ya se han producido y muchos más los cambios aún por producir.

El motor de combustión interna ...

El motor de combustión interna de tipo alternativo (motor Otto y motor Diesel) fue el principal motor térmico del Siglo XX. Sin embargo es probable que su relevancia sea mucho menor en el Siglo XXI por varios motivos:

Altos niveles de contaminantes producidos por una combustión poco controlada. Niveles de eficiencia relativamente pobres. Problemas crecientes en cuanto a disponibilidad de hidrocarburos.

Igualmente, resulta pertinente valorar ...

Igualmente, resulta pertinente valorar el impacto ambiental del motor de combustión interna (MCI) como principal fuente energética de los agregados agrícolas, dado por los niveles de emisión de sustancias tóxicas, de los gases de invernadero y de ruido durante su funcionamiento. Los MCI que mayor contaminación del medio ambiente provocan, son los motores a gasolina a pesar de ser menos visible sus emisiones a la atmósfera. Sumado a que en nuestro país poco se controla los niveles de emisión de sustancias tóxicas por los MCI, existiendo reservas sobre la regulación disponible para la disminución de los mismos. Tampoco, habitualmente se realizan controles de los niveles de ruido que emiten los MCI durante su funcionamiento, existiendo un gran número de vehículos que circulan por nuestras vías con altos niveles de ruido. Por lo que se debe hacer una invitación, para aplicar con mayor rigor las disposiciones sobre el cuidado y conservación del medio ambiente.

El impacto ambiental del MCI ...

El impacto ambiental del MCI está estrechamente relacionado con un problema social surgido por la utilización creciente del mismo: la reducción de los niveles de emisión de sustancias tóxicas y de los llamados "gases de invernadero", y la reducción de los niveles de ruido. El mayor número de MCI está asociado a los vehículos. Es allí donde se hace necesario realizar los cambios más substanciales, ya que por su simple número, el impacto en cuanto a emisiones y consumo global de hidrocarburos es muy significativo.

Los MCI están clasificados como ...

Los MCI están clasificados como máquinas que generan movimiento y potencia a partir de energía térmica. Transforman en movimiento la energía proveniente de la combustión de sustancias adecuadas, denominadas combustibles como el gas natural, la gasolina y aceite combustible (fuel oil). Se denominan motores de combustión interna debido a que la combustión se produce dentro de un recinto cerrado denominado cámara de combustión. Normalmente son utilizados en vehículos y motos. También existen motores de combustión externa, que son los que mueven los aviones jet, de propulsión a chorro, a reacción, o más vulgarmente llamados "reactores".

El MCI ha conservado hasta ...

El MCI ha conservado hasta la fecha sus características fundamentales, si bien ha sufrido en los últimos años modificaciones y refinamientos que lo han convertido en una máquina altamente sofisticada que incorpora los más avanzados sistemas de control electrónico, la mayoría de los cuales tiene por objeto el máximo aprovechamiento del combustible y la reducción consecuente de las emisiones contaminantes.

Motor de combustión interna asombrosamente pequeño, potente, silencioso y suaveEl ruido, una vibración excesiva y una relativa ineficiencia son algunos de los inconvenientes de los motores de combustión interna basados en pistones, que se emplean en ciertas herramientas actuales como motosierras, cortadoras de

césped y sopladores de hojas. Cualquiera que haya empuñado durante un buen rato una motosierra o herramienta similar en marcha sabe lo muy molestas que resultan las vibraciones del motor y lo doloridas que quedan las manos.

Un cambio sorprendente al respecto es la gran novedad del motor inventado por el equipo de un ingeniero proveniente del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos. Alexander Shkolnik, que ahora es presidente de la empresa LiquidPiston, y sus colaboradores, han desarrollado un motor de combustión interna que es significativamente más pequeño, ligero y silencioso, así como un 20 por ciento más eficiente desde el punto de vista del combustible, que los motores de combustión interna utilizados en muchos de los aparatos con tales motores pequeños.

Este motor no tiene vibraciones de ninguna clase y es mucho más silencioso que los tradicionales. El motor de 70 centímetros cúbicos de LiquidPiston, el X Mini, produce unos 3,5 caballos de fuerza a 10.000 RPM (revoluciones por minuto); con unos 1,8 kilogramos (4 libras), es también un 30 por ciento más pequeño que los motores a pistones de cuatro tiempos y 50 centímetros cúbicos a los que se pretende que sustituya. Cuando esté perfeccionado del todo, el X Mini podría suministrar unos 5 caballos a 15.000 revoluciones por minuto, pesando solo 1,4 kilos. 

 El revolucionario motor se basa en un ciclo híbrido de alta eficiencia, desarrollado por Shkolnik y su padre Nikola, físico. Este sistema, entre otras cosas, consigue una combustión a un volumen constante y una sobreexpansión para una extracción de energía mayor. Otras de sus características mecánicas disminuyen de manera asombrosa sus vibraciones y ruido. Las aplicaciones iniciales estarán en herramientas como las antes citadas, pero el motor puede ser modificado y aumentado de tamaño y potencia para otras, incluyendo drones, algunos otros robots y unidades de energía auxiliar en barcos, aviones y demás vehículos.