Motores
de combustión interna
Un motor de
combustión interna es una máquina térmica que se aprovecha de la energía
suministrada por la combustión de una mezcla de aire-combustible dentro de una
cámara cerrada, a fin de generar un trabajo útil, usualmente destinado al
accionamiento de vehículos, generadores eléctricos y otros elementos mecánicos.
Su principio de
funcionamiento se basa en una serie de secuencias:
1. Se inicia con
el aporte de un “gas fresco” como el aire junto a un combustible.
2. Se comprime
la mezcla aire-combustible hasta su combustión.
3. Se expande
los gases de combustión.
4. Finalmente,
se expulsan los productos de combustión, para dar paso a una nueva mezcla que
permita la repetición del ciclo.
El diseño
clásico de los motores de combustión interna consta de un dispositivo
cilindro-émbolo, el cual se alterna entres dos posiciones:
El punto muerto
superior, o PMS, cuando se forma el
menor volumen en el cilindro.
Y, el punto
muerto inferior, también conocido como PMI,
en donde se tiene el volumen más grande en el cilindro.
La distancia
entre el PMS y el PMI, la cual corresponde a la más larga recorrida por el
émbolo en una dirección, es denominada carrera
del motor. Por su parte, el diámetro del pistón se conoce como calibre.
El aire o mezcla
aire-combustible es introducida en el cilindro por la válvula de admisión y los productos de combustión se expelen del
cilindro por la válvula de escape.
El volumen
mínimo formado por el cilindro cuando el émbolo está en el PMS se llama volumen de espacio libre, mientras que
el volumen desplazado (máximo) por el émbolo cuando se mueve entre el PMS y el PMI
se conoce como volumen de desplazamiento.
La relación entre ambos volúmenes se denomina relación de compresión r del motor.
Otro parámetro de
interés, es la presión media efectiva
PME, que sirve de indicador de la cantidad de trabajo neto producido
durante el ciclo real. Es empleado para comparar el desempeño de máquinas
reciprocantes de igual tamaño.
- Máquinas de encendido por chispa (MECH), donde la combustión de la mezcla aire-combustible es iniciada por una chispa en la bujía.
- Máquinas de encendido por compresión (MECOM), en las cuales la mezcla aire-combustible se auto-enciende como resultado de una compresión por encima de su temperatura de ignición.
Hipótesis
de trabajo para su estudio
A pesar de que los
ciclos de potencia de gases de las máquinas reciprocantes son complejos,
existen modelos simplificados que permiten estudiar de manera cualitativa la
influencia de los parámetros principales del desempeño de estas máquinas. Estos
modelos se basan en las suposiciones de aire
frío estándar, definidas a continuación:
1. El fluido de trabajo
es aire como gas ideal que circula de manera continua en un circuito cerrado.
2. Todos los procesos
son internamente reversibles.
3. El proceso de
combustión es modelado como una adición de calor desde una fuente externa.
4. El proceso de escape
es sustituido por rechazo de calor que regresa del fluido de trabajo a su
estado inicial.
5. Se asume un calor
específico constante a temperatura ambiente (25 °C o 77 °F).
Ciclo
Otto: Modelo ideal de los motores de encendido por chispa o gasolina
Este modelo
termodinámico recibe su nombre en honor a Nikolaus Otto, quien en 1876, en
Alemania, construyó el primer motor de 4 tiempos propuesto por el francés Beau
du Rochas en 1862.
En las máquinas de cuatro tiempos, el émbolo
ejecuta 4 cuatro carreras, dos ciclos mecánicos dentro del cilindro, y el
cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. En cada
carrera se da lugar un proceso diferente:
- Tiempo de compresión. Válvulas de admisión y escape están cerradas. El émbolo se encuentra en su punto más bajo (PMI). Durante la carrera de compresión, el émbolo asciende y comprime la mezcla aire-combustible. Antes de que el émbolo llegue a su punto más alto (PMS), se produce una chispa en la bujía, encendiendo la mezcla con lo cual se aumenta la temperatura y presión del sistema.
- Tiempo de potencia o expansión. Los gases de alta presión impulsan el émbolo hacia abajo, obligando a rotar el cigüeñal, con lo que se produce una salida de trabajo útil. Al final de la carrera, el émbolo se encuentra en el PMI (finaliza su primer ciclo mecánico) y el cilindro se llena de gases de combustión.
- Tiempo de escape. El émbolo vuelve ascender hacia arriba, se abre la válvula de escape y se evacua los gases de combustión.
- Tiempo de admisión. Se cierra la válvula de escape y se abre la válvula de entrada, permitiendo el paso de una nueva mezcla fresca de aire y combustible, obligando a descender nuevamente el pistón.
En general, las máquinas
de dos tiempos son menos eficientes que sus homólogas de cuatro tiempos por la expulsión
incompleta de los gases de escape y la remoción parcial de la mezcla fresca de
aire-combustible. Sin embargo, entre sus ventajas destacan: su sencillez
técnica, por lo que son económicas; exhiben altas relaciones potencia-peso o
potencia-volumen, permitiéndoles ser destinadas a aplicaciones de tamaño y peso
pequeño como accionamiento de motocicletas, sierras de cadenas y podadoras.
Según el modelo teórico
del ciclo Otto, el ciclo termodinámico de las máquinas de encendido por chispa
se puede estudiar mediante los siguientes procesos:
1-2:
Compresión isentrópica.
2-3:
Adición de calor a volumen constante.
3-4:
Expansión isentrópica.
4-1:
Rechazo de calor a volumen constante.
Aplicando un balance de
energía en un sistema cerrado y la ecuación de gases ideales, además de
despreciar los cambios en la energía cinética y potencial, se puede demostrar
que la eficiencia del ciclo Otto está dada por la siguiente expresión, donde k es la relación de calores específicos:
Así, el desempeño de
los motores de gasolina depende de la relación de compresión de la máquina y la
relación de calores específicos del fluido de trabajo. A mayor relación de compresión o de calores específicos, se incrementa
su eficiencia teórica.
Para una relación de
compresión dada, la eficiencia térmica de una máquina real de encendido por
chispa será siempre menor que la de un ciclo Otto ideal debido a
irreversibilidades como la fricción y
otros factores como combustión incompleta.
En estos motores, si la
relación de compresión es muy elevada, la temperatura de la mezcla
aire-combustible puede superar la temperatura de autoencendido, causando una
rápida ignición del combustible seguido de una combustión casi instantánea del
gas remanente. Este fenómeno de autoencendido
se caracteriza por un golpeteo del
motor, que reduce el desempeño y daña los componentes mecánicos de la
máquina. A fin de evitarlo, desde 1920 se han empleado antidetonantes de tetraetilo de plomo, permitiendo elevar el índice de octano u octanaje, medida de la resistencia de un combustible al golpeteo
del motor, además de incrementar la relación de compresión hasta 12. Sin
embargo, los compuestos del proceso de combustión de la gasolina con plomo han
demostrado efectos negativos en el medio ambiente y la salud, restringiendo su
uso. De esta manera, se ha limitado la relación de compresión entre 7 y 10,
aunque algunos combustibles de alto octano, las actuales mejoras aerodinámicas
y los avances en la ingeniería de materiales para la reducción del peso, han
logrado entregar una mejor economía del combustible.
Aunque la relación de
calores específicos para el aire es de 1.4, el ciclo Otto disminuye cuando las
moléculas del fluido de trabajo son más grandes, como por ejemplo para el
dióxido de carbono es 1.3, y el etano 1.2. De esta manera, en máquinas reales
que contienen moléculas más grandes, la relación de calores específicos
disminuye con la temperatura, reduciendo su eficiencia térmica respecto a los
ciclos reales. Se estima que para máquinas reales, esta eficiencia puede estar
entre 25 a 30%.
Ciclo
Diesel: Modelo ideal de los motores de encendido por compresión
Fue propuesto por
primera vez por Rudolph Diesel en la década de 1890. En estas máquinas, el aire
se comprime hasta una temperatura superior a la temperatura de autoencendido
del combustible; y la combustión se inicia al contacto, cuando el combustible es
inyectado dentro del aire caliente.
Se caracteriza por la
sustitución de la bujía y el carburador por un inyector.
Como solo el aire se
comprime durante la carrera de compresión, se elimina la posibilidad de
autoencendido. De este modo se diseñan para operar a relaciones de compresión
elevadas, entre 12 a 24. Presentan otra ventaja que exigen menos requerimientos
para el uso de la gasolina, de manera que pueden emplearse combustibles menos
refinados (menos costosos).
De acuerdo al modelo
teórico Diesel, el proceso de combustión se modela como una adición de calor a
presión constante, ya que la inyección del combustible empieza cuando el émbolo
se aproxima al PMS y continúa durante la primera parte de la carrera de
potencia. Todos los demás procesos son semejantes a los del ciclo Otto.
1-2:
Compresión isentrópica.
2-3:
Adición de calor a presión constante.
3-4:
Expansión isentrópica.
4-1:
Rechazo de calor a volumen constante.
Dado el proceso de
inyección del combustible, se introduce un nuevo parámetro denominado relación de corte de admisión rc, definido como la
relación de los volúmenes del cilindro antes y después de la combustión.
De igual manera, los
análisis termodinámicos han permitido demostrar que la eficiencia del ciclo
Diesel se rige por la siguiente expresión:
Se puede observar, que
la eficiencia de un ciclo Otto es siempre mayor que la de un ciclo Diesel para
la misma relación de compresión. Si la relación de corte disminuye, la
eficiencia del ciclo Diesel se hace mayor. Para el caso límite de rc=1, ambas eficiencias son
iguales.
Sin embargo, los
motores diesel operan a relaciones de compresión elevadas por lo que son más
eficientes que los motores de gasolina, además presentan el beneficio de quemar
el combustible de manera completa, ya que operan a menores revoluciones por
minuto y exhiben una relación aire-combustible mayor que los motores encendidos
por chispa. Su eficiencia suele variar entre 35 a 40%.
Su mayor eficiencia y
los menores costos de combustibles de los motores diesel, los convierte en la
opción más indicada para aplicaciones de elevadas potencia, como motores de
locomotoras, unidades de generación eléctrica, grandes barcos y pesados
camiones.
Diagrama del cigüeñal
En el estudio de la configuración de un motor Otto es de vital importancia el orden de encendido, el equilibrio del cigüeñal, su arquitectura y la forma de enumerar los cilindros.
En el diagrama del cigüeñal de motor Otto, se debe considerar el siguiente enunciado: “en dos vueltas de cigüeñal (720° de giro), se deben realizar tantas explosiones como cilindros. Posea el motor”. Dividiendo 720° entre el número de cilindros, obtendremos cada cuantos grados de giro ocurre una explosión. Sabemos que el orden del ciclo es admisión-compresión- expansión-escape pero el orden en el que se enumera es mediante el orden de encendido de la chispa en cada pistón, es decir, se parte de la Explosión (0°-180°) y continua a escape 180°-360°, admisión 360°-540° y Compresión 540°-720.
El orden de encendido de un motor de cuatro cilindros en línea suele ser: 1-3-4-2. Una explosión ocurre cada 180° y esta configuración presenta un cigüeñal con las muñequillas externas (pistones 1 y 4) en punto medio muerto superior y las muñequillas internas (pistones 2 y 3) a 180°. El diagrama del cigüeñal muestra el orden de encendido de la chispa en cada pistón del motor, por cada 180° (en este caso que es de cuatro tiempos) de giro del cigüeñal.
A continuación se presentan algunos diagramas de cigüeñal para diferentes configuraciones de los cilindros del motor:
Cuadro de Tiempo de un motor 4 cilindros en línea
Ciclo Otto real
En la realidad el funcionamiento del motor Otto es difiere de la descripción de su ciclo ideal, ya que la gran velocidad lineal del pistón, sumada a la resistencia que ofrecen los gases a ser desplazados disminuyen notablemente la eficiencia. En consecuencia, para aumentar su rendimiento, el árbol de levas altera el verdadero momento de apertura y cierre de las válvulas, configurando así el ciclo Otto real de funcionamiento. La válvula de admisión abre antes (AAA) y cierra después (RCA), y la de escape abre antes (AAE) y cierra después (RCE) del momento previsto en el ciclo teórico. Se presenta además un periodo donde ambas válvulas (admisión y escape) se encuentran abiertas, llamado cruce (overlap). Todas estas modificaciones medidas en grados de giro del cigüeñal. Así mismo el momento en el cual debe saltar la chispa es ajustado para obtener el máximo rendimiento.
Mecanismos de válvula y arbol de levas
Son aquellos que describen la posición y cantidad de válvulas en la cámara de combustión y donde está ubicado el árbol de levas en el motor para el accionamiento de las mismas. algunos de estos mecnismos son:
-Mecanismo de valvulas en el bloque: árbol de levas y valvulas en el bloque.
-Mecanismo OVH(Over Head Valve): válvulas en la culata, arbol de levas en el bloque.
-Mecanismo DOHC(Diuble Over Head Camshaft): Válvulas en la culata, dos arbol de levas, ubicados tambien en la culata.
Para los mecanismos de mando del árbol de levas, el árbol de levas es accionado por el cigüeñal y gira en perfecta sincronización con éste, en una relación de transmisión específica, por cada dos vueltas del cigüeñal, el árbol de levas da una vuelta. El árbol de levas puede ser accionado tanto por engranajes, cadenas de acero o correas dentadas.
De
interés: Un poco sobre los motores de alta velocidad
En los motores de alta
velocidad, el combustible se inyecta en la cámara de combustión con una rapidez
mayor, teniendo lugar parte de la combustión a volumen constante, mientras que
la inyección continúa hasta que el pistón alcanza el centro muerto superior
manteniendo la presión hasta bien entrado el ciclo de expansión. Estos casos
puede ser modelado como un ciclo dual, donde el proceso de combustión es asumido
como la adición de calor a volumen constante (en una primera etapa) y a presión
constante (en una segunda etapa).
Existen otros
tipos de motores de movimiento rotativo,
donde el cigüeñal se mantiene fijo y el conjunto entero gira alrededor suyo.
Entre ellos, destaca el motor de 4
tiempos de Wankel, concebibo por Félix
Wankel en 1924, caracterizados por su simplicidad, funcionamiento suave y
silencioso.
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