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Combustión Interna
El Motor de 4 Tiempos
Cómo funciona un motor de 4 tiempos?
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 Alcohol
En 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 válvula 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 tiempo: carrera de expansión. Se enciende la mezcla comprimida y
el calor generado por la combustión expande los gases que ejercen
presión sobre el pistón.
4to tiempo: carrera de escape. Se abre la válvula de escape, el pistón
se desplaza hacia el punto muerto superior, expulsando los gases
quemados.
LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Un motor de combustión interna es cualquier 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 utilizan motores de combustión interna de
cuatro tipos: el motor cíclico Otto, el motor diesel, el motor rotatorio y la
turbina de combustión.
EL MOTOR OTTO DE 4 TIEMPOS DE GASOLINA
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.
La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en
un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al
interior. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el
volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la
cámara. La cara exterior del pistón está unida por un eje al cigüeñal, que
convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón. En los
motores de varios cilindros el cigüeñal tiene una posición de partida,
llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la
energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto
determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados
volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del
movimiento del eje. Un motor puede tener de 1 a 28 cilindros.
El sistema de bombeo de combustible de un motor de combustión
interna consta de un depósito, una bomba de combustible y un
dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido. Se llama
carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores Otto. En los
motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los
cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión.
Muchos motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que
transporta los gases producidos en la combustión. Cada cilindro toma el
combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o
válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta
que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol
de levas rotatorio movido por el cigüeñal. En la década de 1980, este
sistema de alimentación de una mezcla de aire y combustible se ha visto
desplazado por otros sistemas más elaborados ya utilizados en los
motores diesel. Estos sistemas, controlados por computadora, aumentan
el ahorro de combustible y reducen la emisión de gases tóxicos.
Todos los motores tienen que disponer de una forma de iniciar la ignición
del combustible dentro del cilindro. Por ejemplo, el sistema de ignición de
los motores Otto, llamado bobina de encendido, es una fuente de
corriente eléctrica continua de bajo voltaje conectada al primario de un
transformador. La corriente se corta muchas veces por segundo con un
temporizador. Las fluctuaciones de la corriente del primario inducen en el
secundario una corriente de alto voltaje, que se conduce a cada cilindro
a través de un interruptor rotatorio llamado distribuidor. El dispositivo que
produce la ignición es la bujía, un conductor fijado a la pared superior de
cada cilindro. La bujía contiene dos hilos separados entre los que la
corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que genera la chispa
que enciende el combustible dentro del cilindro.
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben
disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores
estacionarios de automóviles y de aviones y los motores fueraborda se
refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema
cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el
calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza
refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran
dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace
circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las
láminas de un radiador. En los motores navales se utiliza agua del mar
para la refrigeración.
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de
combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo
que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se
pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor
eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague
automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado,
algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con
una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante
del cigüeñal. Otros sistemas de encendido de motores son los
iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un
motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover
el cigüeñal, y los iniciadores explosivos, que utilizan la explosión de un
cartucho para mover una turbina acoplada al motor. Los iniciadores de
inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de
aviones.
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, es decir, que el
ciclo completo del pistón tiene cuatro fases, dos hacia el cabezal cerrado
del cilindro y dos hacia atrás. Durante la primera fase del ciclo el pistón
se mueve hacia atrás mientras se abre la válvula de admisión. El
movimiento del pistón durante esta fase aspira hacia dentro de la cámara
la cantidad necesaria de la mezcla de combustible y aire. Durante la
siguiente fase, el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro y
comprime la mezcla de combustible contenida en la cámara. Cuando el
pistón llega hasta el final de esta fase y el volumen de la cámara de
combustión es mínimo, la bujía se activa y la mezcla arde,
expandiéndose y creando dentro del cilindro la presión que hace que el
pistón se aleje; ésta es la tercera fase. En la fase final, se abre la válvula
de escape y el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro para
expulsar los gases, quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.
Tiempos de un motor de 4 tiempos:
Aquí vemos un motor Morris de 1925 con cuatro cilindros en línea y
pistones de aluminio:
Partes de un motor:
EL MOTOR DIESEL DE 4 TIEMPOS DE GASOIL
En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene
lugar a un volumen constante en lugar de a una presión constante. La
mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las
fases son diferentes de las de los motores de gasolina. En la primera
fase se absorbe solamente aire hacia la cámara de combustión. En la
segunda fase, la de compresión, el aire se comprime a una fracción
mínima de su volumen original y se calienta hasta unos 440 ºC a causa
de la compresión. Al final de la fase de compresión el combustible
vaporizado se inyecta dentro de la cámara de combustión y arde
inmediatamente a causa de la alta temperatura del aire. Algunos motores
diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el
combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura
adecuada. La combustión empuja el pistón hacia atrás en la tercera fase,
la de potencia. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la
fase de expulsión.
La eficiencia de los motores diesel, que en general depende de los
mismos factores que los motores Otto, es mayor que en cualquier motor
de gasolina, llegando a superar el 40%. Los motores diesel suelen ser
motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones
por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de
2.500 a 5.000 rpm. No obstante, algunos tipos de motores diesel pueden
alcanzar las 2.000 rpm. Como el grado de compresión de estos motores
es de 14 a 1, son por lo general más pesados que los motores Otto, pero
esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de
que utilizan combustibles más baratos.
Un coche con un motor diesel:
MOTORES DE DOS TIEMPOS
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel
funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en
lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es
menor que la de los motores de cuatro tiempos, lo que implica que la
potencia que producen es menor que la mitad de la que produce un
motor de cuatro tiempos de tamaño similar.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la
duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de
gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada
operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor
de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas
deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón
hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y
aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón
está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase
es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el
pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia
atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y
permitiendo que los gases salgan de la cámara.
EL MOTOR ROTATORI (WANKEL)
En la década de 1950, el ingeniero alemán Felix Wankel desarrolló un
motor de combustión interna con un diseño revolucionario, que utilizaba
un rotor triangular que gira dentro de una cámara ovalada, en lugar de
un pistón y un cilindro. La mezcla de combustible y aire es absorbida a
través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las
caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la
mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través
de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar
una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de
potencia en cada giro. El motor de Wankel es compacto y ligero en
comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia
durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además,
funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una
fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de
gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción.
Los cuatro tiempos del motor de combustión interna
En todo motor de movimiento alternativo, las dos posiciones extremas
entre las que se puede mover un pistón se llama “punto muerto superior”
(PMS) y “punto muerto inferior” (PMI). En el motor de cuatro tiempos
(abajo), cada pistón comienza su carrera en el PMS. Al iniciar su primer
movimiento hacia abajo, se abre en la parte superior del cilindro una
válvula de admisión que da paso al vapor de gasolina mezclado con aire.
Para cuando el pistón liega al PMI ha succionado la cantidad precisa de
este combustible. Por consiguiente, este primer movimiento se llama
tiempo de admisión.
Durante el segundo tiempo —hacia arriba—, la válvula de admisión esta
cerrada, mientras el pistón comprime la mezcla combustible de forma
que ésta se hace de fácil ignición. En consecuencia, este tiempo se
llama tiempo de compresión.
Cuando el pistón se acerca al PMS, entre los electrodos de la bujía salta
una chispa eléctrica que enciende el vapor comprimido en la parte
superior del cilindro. La combustión resultante, en la que la temperatura
de la mezcla puede llegar a los 2.000°C y la fuerza hasta 2 toneladas,
empuja al pistón hacia abajo. Es el tiempo de explosión.
Para cuando el pistón llega de nuevo al fondo del cilindro, se ha agotado
la fuerza de la combustión. Resta sólo permitir que los productos de
desecho de la combustión pasen al sistema de escape, y de él a la
atmósfera. En este punto, pues, se abre en el cilindro una segunda
válvula, la válvula de escape. Con esto, el pistón, en su cuarto tiempo, o
tiempo de escape, expulsa los gases a través de la parte superior del
cilindro.
Ésta es la teoría del ciclo de cuatro tiempos, pero en la práctica, las
diferentes fases no están tan netamente separadas como sugiere la
teoría. Por ejemplo, el motor generará un máximo de energía si la
combustión alcanza su mayor fuerza cuando el pistón está en el punto
extremo de su recorrido hacia arriba (PMS). Pero la combustión no es
instantánea, sino que comienza en la parte de la mezcla que está más
próxima a la bujía y se extiende en forma de abanico hasta que arde
toda. Para permitir este retraso, el encendido debe ocurrir una fracción
de segundo -o unos pocos grados de giro del cigüeñal- antes de que el
pistón llegue al PMS.
De la misma forma, hay un retraso entre el instante en que se abre una
válvula y aquél en que el vapor combustible o el gas de escape puede
atravesarla a la máxima presión. Por ello se hace a menudo que las
válvulas se abran unos pocos grados antes (avance a la apertura) o se
cierren unos pocos grados después (retraso al cierre), con lo que se
consigue que aumente el rendimiento del motor. Estos intervalos son,
por supuesto, fracciones mínimas de segundo, porque incluso en marcha
al ralentí, el pistón de un coche común se mueve hacia arriba o hacia
abajo unas 1.000 veces por minuto.
Los constructores de automóviles fijan el avance a la apertura y el
retraso al cierre (que, unidos, se llaman “solapo” o “cruzado” de las
válvulas) para cada tipo de motor, y lo hacen en un diagrama de
sincronización de las válvulas. Generalmente, cuanto más rápido ha de
funcionar un motor, tanto mayor será el cruzado de las válvulas.
Aunque el pistón debe hacer cuatro movimientos para completar un ciclo
de trabajo, la forma del cigüeñal nos hace ver que cada pistón sólo
puede describir dos tiempos -uno hacia arriba y otro hacia abajo- por
cada revolución del propio cigüeñal. Es decir, que cada pistón sólo
puede aplicar fuerza sobre el cigüeñal una vez cada cuatro tiempos o
dos revoluciones.
Es perfectamente factible mantener la inercia giratoria del cigüeñal entre
cada tiempo de explosión por medio de un volante o mecanismo similar,
y por consiguiente también es posible construir un motor de cuatro
tiempos de un solo cilindro.
Compresión de Motor
La relación de compresión es el término con que se denomina a la
fracción matemática que define la proporción entre el volumen de
admisión y el volumen de compresión.
Fórmula para Calcular la Relación de Compresión Teórica
V1 + V2
----------------V1
V1 = Capacidad en centímetros cúbicos de la cámara de combustión de
la culata.
V2 = Capacidad del cilindro, con el pistón en su punto muerto inferior.
En general, la eficiencia térmica (capacidad para transformar calor en
movimiento), y la potencia, dependen de la relación de compresión.
Un motor gasta energía para comprimir los gases y aporta energía al
quemar los gases. A medida que se aumenta la compresión, la
diferencia entre gasto y aporte de energía crece. Es decir, a mayor
compresión el motor es más eficiente.
Relación de Compresión Efectiva
Para calcular el valor real de la relación, el volumen del cilindro requiere
ser medido, no con su pistón en punto muerto inferior, sino que a partir
de la posición que tiene cuando termina el cierre de la válvula de
admisión.
Presión de Cilindro
La presión de un cilindro se mide con un manómetro de presión
(compresímetro), y es necesario tomar una muestra de ella para conocer
el grado de estanqueidad (sello) de los cilindros. Como esta presión se
mide a muy bajas revoluciones y con el motor frío, no se puede
considerar como método de diagnóstico definitivo. Sin embargo, esta
medición determina con precisión la diferencia de estanqueidad entre
cilindros.
Cubicación de Motor
Los motores de competencia requieren de una relación de compresión
específica. Para comprobarla se miden los volúmenes mediante la
cubicación.
Fórmula para Calcular la Relación de Compresión
Teórica
V1 + V2
________
V1
V1 = Capacidad en centímetros cúbicos de la cámara de
combustión de la culata.
V2 = Capacidad del cilindro, con el pistón en su punto muerto
inferior.
Bomba de Aceite y Válvula Reguladora
El flujo de aceite hacia los descansos y puños del cigüeñal debe ser
constante. Para ello se utliza una bomba de aceite que sumistra caudal.
El rendimiento de la bomba de lubricantes se controla midiendo los litros
por minuto que desplaza. Como la bomba gira relacionada con el motor,
a mayores revoluciones, mayor caudal.
Para controlar la variación constante de presión, se utiliza una válvula
reguladora de presión. Esta se encuentra formada por un émbolo y un
resorte. Se abre cuando el caudal de aceite suministrado por la bomba
genera presión suficiente para comprimir el resorte de la válvula
reguladora y parte del caudal es derivado hacia el tubo de succión de la
bomba de aceite.
La válvula es regulable. Permite establecer la presión mínima y máxima
del aceite, dentro del circuito de lubricación. Para aumentar la presión de
aceite de lubricación se requiere desmontar el perno de sujeción de la
válvula y quitar golillas de regulación. De esta manera el émbolo recorre
una distancia mayor para comprimir el resorte, antes de destapar el
pasaje por donde deriva el aceite para aliviar la presión.
Circuito de Lubricación
El aceite succionado por la bomba se dirige hacia una galería ubicada en
el cuerpo del block. Este conducto tiene pasajes conectados a las
bancadas del cigüeñal. Luego el aceite continua su desplazamiento por
un pasaje ubicado dentro de los brazos del cigüeñal hasta alcanzar los
puños de biela.
Desde la galería principal también se hace llegar lubricante a los
descansos del eje de levas. Pulsar en la figura siguiente.
Motor Enfriado por Agua
La incidencia del sistema de refrigeración en el desempeño de un
motor es alta. La estabilidad en la temperatura es sinónimo de
carburación y lubricación estable. La temperatura excesiva impide
que los fenómenos naturales que se aprovechan en el
funcionamiento de un motor le sigan siendo favorables.
Temperatura de Motor
La disipación de calor se controla mediante el agua, el aire y el
lubricante. La temperatura también depende del color del bloque
de cilindros. Si es muy claro, los rayos de luz que salen del metal
son reflejados y parte del calor no es disipado con la facilidad que se
requiere. Por ello se recomienda pintarlos de color obscuro.
Cavitación de Motor
Aun con su sistema de refrigeración lleno de agua, el motor deja de
ser enfriado si el líquido comienza a ebullir. Mientras el agua hierve
las burbujas impiden la refrigeración del metal en los puntos donde
se generan. Esta pérdida de eficiencia en el proceso de disipación de
calor también produce corrosión prematura en el metal de las
cámaras de agua del block.
Por su parte, las aspas de la bomba de agua ya no logran impulsar el
refrigerante a la velocidad que se requiere. Este fenómeno se conoce
en macánica automotriz como cavitación y su nombre obedece a
las cavidades que se generan en la masa de un líquido mientras
ebulle. Para disminuir o impedir la corrosión por esta razón se
utilizan refrigerantes especiales.
Punto de Ebullición
La temperatura que debe alcanzar el agua para hervir depende de la
presión que se ejerce sobre ella. A mayor presión, mayor será la
temperatura para lograr el punto de ebullición, (Blaise Pascal,
1653). En condiciones normales hierve cuando alcanza 100º C y la
presión es de 1 Atmósfera o 760 mm de Mercurio (Torricelli). Esta
medida equivale aproximadamente a cargar cada centimetro
cuadrado con un kilo de peso (Kg/cm2).
Sistema de Refrigeración Presurizado
El refrigerante se mantiene confinado dentro del sistema de
enfriamiento y se aisla de la atmósfera. La presión es controlada en
forma automática por la tapa de radiador.
El agua se calienta, hasta que la presión que genera es capaz de
comprimir el resorte principal de la tapa, lo cual separa el sello de su
asiento, (ver). Esto permite la salida de líquido y vapor. Como regla
general, cada libra (1) por pulgada de presión que se agregue, el
punto de ebullición sube en 1,5º C.
Mientras el refrigerante no hierve la condición es normal. Enfriar un
motor con agua a 120° C o más no es un problema. Al contrario.
Subir la temperatura del agua mejora el rendimiento del motor y el
sistema de refrigeración se torna más eficiente. El calor se disipa a
mayor velocidad debido a que la diferencia de temperatura entre
el ambiente y el motor es mayor.
Refrigeración de Alto
Rendimiento
Los motores de competición utilizan sistemas de refrigeración de
alta presión. Esto significa que utilizan tapas de radiador especiales
de 22 a 26 libras por pulgada. Esta presión inhibe la ebullición y
aumenta la temperatura de funcionamiento lo cual trae consigo un
mejor aprovechamiento del calor para generar potencia.
Revisión del Sistema de
Enfriamiento
Lo importante a la hora de revisar el sistema de refrigeración es
comprobar su estanqueidad. El sello de la tapa debe debe apoyarse
en forma perfecta con el asiento que provee la boca de entrada del
radiador. Por otra parte la válvula de vacío, que se encuentra al
centro de la tapa, debe sellar totalmente la salida de líquido. Las
cañerías, tubos y sellos de motor deben ser estancos.
El sello del sistema de enfriamiento se comprueba con una
herramienta especial que permite presurizar el circuito de
refrigeración y comprobar la existencia de fugas. Al mismo tiempo
sirve para probar el resorte y la estanqueidad del sello de la tapa de
radiador. Para conocer este instrumento pulse sobre las imágenes
que aparecen a continuación.