Motores de Combustión Interna Alternativos (MACI): Tipos, Ciclos y Parámetros

Historia y Evolución

El motor de Lenoir, patentado en 1860 por Étienne Lenoir, fue el primer MACI (Motor de Combustión Interna Alternativo) con éxito comercial. Utilizaba gas de hulla y aire como combustible. Era un motor de dos tiempos sin compresión previa de la mezcla, lo que resultaba en un bajo rendimiento y una pequeña relación de expansión.

Clasificación de los MACI

Los MACI se pueden clasificar según varios criterios:

Según el Proceso de Combustión

• MEP (Motores Encendidos por Chispa): También conocidos como motores Otto, utilizan sistemas de inyección para formar la mezcla aire-combustible, que se enciende mediante una chispa eléctrica.
• MEC (Motores Encendidos por Compresión): También conocidos como motores Diesel, la combustión se inicia por autoencendido debido a la alta temperatura generada por la compresión. La mezcla aire-combustible es espacialmente heterogénea y la combustión ocurre en zonas con condiciones adecuadas, preferentemente donde el dosado es cercano al estequiométrico.

Según el Ciclo de Trabajo

• Motores de 4 Tiempos: El ciclo de trabajo se completa en dos vueltas del cigüeñal o cuatro carreras del émbolo. Son más comunes en automoción y maquinaria industrial.
• Motores de 2 Tiempos: El ciclo de trabajo se completa en una vuelta del cigüeñal o dos carreras del émbolo. Se utilizan principalmente en grandes motores de buques.

Según la Presión de Admisión

• Motores de Aspiración Natural: La presión de admisión es la presión atmosférica.
• Motores Sobrealimentados: La presión de admisión se aumenta mediante un sistema de sobrealimentación, como un turbocompresor o un compresor mecánico.

Según el Tipo de Refrigeración

• Aire
• Líquido
• Mixta

Según el Número de Cilindros y su Disposición

• Un solo cilindro
• En línea
• En V
• Opuestos
• Radiales

Parámetros Geométricos del Motor

• Diámetro del cilindro (D): Tamaño interior del cilindro del motor.
• Carrera del pistón (S): Distancia recorrida por el pistón dentro del cilindro.
• Longitud de la biela (L): Longitud de la conexión entre el pistón y el cigüeñal.
• Relación carrera-diámetro (S/D): Proporción entre la carrera del pistón y el diámetro del cilindro.
• Cilindrada unitaria (Vd): Volumen desplazado por el pistón en un solo cilindro durante un ciclo.
• Volumen de la cámara de combustión (Vc): Espacio en la culata donde se comprime la mezcla de aire y combustible.
• Relación de compresión (r): Proporción entre el volumen total de la cámara de combustión y el volumen cuando el pistón está en el punto muerto superior.
• Cilindrada total (Vt): Suma de las cilindradas individuales de todos los cilindros del motor.

Ciclo Ideal MEP (Otto)

1. Admisión: El pistón desciende y la válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada de la mezcla de aire y combustible en la cámara. Esto ocurre a presión constante.
2. Compresión: El pistón asciende, comprimiendo la mezcla de manera adiabática. Ambas válvulas permanecen cerradas durante esta fase.
3. Combustión: La chispa de la bujía enciende la mezcla comprimida, provocando una combustión a volumen prácticamente constante. Esto genera un aumento de temperatura que empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él.
4. Expansión: El pistón se mueve hacia abajo debido al aumento de presión provocado por la combustión. Se realiza una expansión adiabática, en la que las válvulas permanecen cerradas.
5. Escape: En la fase de escape, se abre la válvula de escape y los gases quemados salen al exterior.
6. Enfriamiento y entrada de nueva mezcla: Después del escape, el pistón sigue descendiendo, manteniendo el volumen aproximadamente constante.

Diferencias entre el Ciclo Real e Ideal MEP

• La combustión no es instantánea.
• El tiempo de apertura de las válvulas varía.
• Existe pérdida de calor.
• Diferencias en los valores de presión y temperatura máximas debido a: trabajo de bombeo por rozamientos, disociación de los productos de combustión y aumento de los calores específicos con la temperatura.

Motores MEP y MEC: Desarrollo Histórico

Los MEP (Motores de Encendido por Chispa), también conocidos como motores Otto en honor a su inventor Nikolaus Otto, utilizan una chispa eléctrica para encender la mezcla de aire y combustible. Desarrollados en la década de 1870, se convirtieron en el tipo de motor de combustión interna más común en la primera mitad del siglo XX.

Los MEC (Motores de Encendido por Compresión), conocidos como motores Diesel en honor a su inventor Rudolf Diesel, utilizan la compresión del aire para elevar la temperatura y encender el combustible. Son conocidos por su alta eficiencia y se usan en aplicaciones de alta potencia, como camiones y barcos.

Ciclo Ideal MEC (Diesel)

1. Admisión: El pistón desciende y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que entre aire a presión constante desde la atmósfera.
2. Compresión: El pistón asciende con las válvulas de admisión y escape cerradas, comprimiendo el aire en la cámara de combustión sin intercambio de calor, de manera adiabática.
3. Combustión: Momento en el que se produce la inyección de combustible por parte del inyector en el cilindro. La combustión ocurre a presión constante.
4. Expansión: La energía liberada durante la combustión impulsa el pistón hacia abajo, realizando trabajo en el ciclo. Esta fase corresponde a una curva adiabática en el diagrama p-V, con las válvulas de admisión y escape cerradas.
5. Escape: La válvula de escape se abre y el pistón continúa su movimiento ascendente, expulsando los gases de la combustión.

Diferencias entre el Ciclo Real e Ideal Diesel

• Diferencias iguales para ambos ciclos: Pérdidas de calor (refrigeración), combustión no instantánea, variación de calores específicos y tiempo de apertura de la válvula de escape.
• Diferencias parciales:
  • Disociación: Las pérdidas son menores en el ciclo Diesel debido al exceso de aire.
  • Pérdidas por bombeo.
• Diferencias propias de los Diesel: Pérdidas en la combustión a presión constante.

Diferencias entre el Ciclo Real en los MEP y MEC

• Diferencias Comunes: Pérdidas de calor, variación de calores específicos, tiempo de apertura de válvula de escape.
• Diferencias Particulares: Menor disociación en Diesel debido al exceso de aire, pérdidas por bombeo.

Motor Diesel de 2 Tiempos: Ciclo

Los motores Diesel de 2 tiempos realizan las cuatro fases del ciclo de funcionamiento en una sola vuelta del cigüeñal. Este ciclo incluye la aspiración y compresión del aire atmosférico, la combustión y expansión de los gases, así como la descarga de gases. El barrido, que consiste en la expulsión de los gases de escape y el llenado del espacio con aire fresco.

1. Aspiración y compresión: El pistón baja y aspira aire. Luego sube y comprime el aire adiabáticamente.
2. Combustión y expansión: Se inyecta gasóleo y ocurre la combustión. Los gases se expanden, empujando el pistón.
3. Descarga de gases: Se abren las válvulas de escape y los gases quemados salen.
4. Barrido y llenado: Aire fresco entra, limpiando el cilindro. Se prepara para el siguiente ciclo.

Influencia de la Relación Carrera-Diámetro en el Rendimiento del Motor

La relación carrera-diámetro influye en el rendimiento del motor, clasificando los motores en:

• Supercuadrados: Alta potencia específica, bajo par y alto régimen.
• Alargados: Bajo régimen, alto par.
• Cuadrados: Equilibrio entre potencia y par.

Parámetros más Importantes de un Motor

• Par motor
• Régimen de giro
• Consumo específico de combustible
• Eficiencia térmica
• Relación aire-combustible
• Presión media efectiva
• Temperatura media efectiva
• Emisiones contaminantes

Pérdidas Mecánicas

Las pérdidas mecánicas de un motor son aquellas que ocurren en el eje del motor y no se transforman en trabajo útil. Estas pérdidas incluyen la fricción entre las piezas móviles y fijas, la fricción del aire, la fricción de la bomba de aceite y de agua, así como la fricción de los accesorios y la transmisión.