Motores de combustión interna: Funcionamiento, tipos y características

Funcionamiento de los motores de combustión interna

Si tiene bujía es un motor Otto, si tiene lumbreras es de 2 tiempos, y si tiene válvulas de admisión y de salida es de 4 tiempos.

Para regular la velocidad del motor Otto se usa una válvula de mariposa, mientras que en el motor Diesel se regula la cantidad de combustible inyectado.

Motor Otto de 4 tiempos

Etapas del motor Otto de 4 tiempos:

1. Admisión: El pistón se mueve desde el Punto Muerto Superior (PMS) al Punto Muerto Inferior (PMI). La válvula de admisión permite la entrada de aire y combustible en el cilindro, mientras que la válvula de escape permanece cerrada.
2. Compresión: El pistón sube al PMS, ambas válvulas se cierran y la mezcla de aire y combustible se comprime en el cilindro, aumentando la presión y la temperatura de la mezcla.
3. Explosión: En el PMS, la mezcla comprimida se enciende mediante la bujía, generando una explosión de energía que empuja el pistón hacia abajo.
4. Escape: La válvula de escape se abre, permitiendo que los gases quemados salgan del cilindro. La válvula de admisión permanece cerrada y el pistón sube al PMS para expulsar todos los gases.

Motor Otto de 2 tiempos

Etapas del motor Otto de 2 tiempos:

1. Admisión/Compresión: Cuando el pistón sube del PMI al PMS, el movimiento crea un vacío debajo del pistón que permite que una mezcla de aire, combustible y, a veces, aceite para lubricar, entre al cilindro a través de la lumbrera de admisión. Mientras el pistón sigue subiendo, comprime la mezcla de aire-combustible. Al mismo tiempo, la válvula de escape se cierra para evitar que se escape la mezcla.
2. Explosión/Escape: Una chispa de la bujía enciende la mezcla comprimida cuando el pistón está cerca del PMS. La combustión genera una expansión que empuja el pistón hacia abajo, generando potencia útil. Mientras el pistón baja, se abre la lumbrera de escape, permitiendo que los gases quemados salgan del cilindro. Casi simultáneamente, el pistón abre la lumbrera de transferencia, por la cual la mezcla fresca del cárter pasa al cilindro, empujando los gases quemados hacia el escape.

Características principales del motor de 2 tiempos

• Simplificación mecánica: No tiene válvulas complejas; utiliza lumbreras (aberturas en el cilindro) para el flujo de gases.
• Mayor potencia específica: Entrega potencia en cada vuelta del cigüeñal (a diferencia del motor de 4 tiempos, que requiere dos vueltas).
• Lubricación mediante mezcla: En muchos motores de 2 tiempos, el aceite se mezcla con el combustible para lubricar las partes móviles.
• Menor eficiencia: Quema una mayor cantidad de combustible, y parte de la mezcla fresca puede perderse en el escape.
• Más emisiones: Debido a la mezcla aceite-combustible y a la expulsión de mezcla fresca junto con los gases quemados.

Ventajas y desventajas del motor de 2 tiempos

Ventajas:

• Más ligero y compacto.
• Genera más potencia relativa al tamaño.
• Más simple de fabricar y mantener.

Desventajas:

• Consume más combustible.
• Produce más emisiones contaminantes.
• Menor durabilidad debido al desgaste de piezas por la lubricación menos eficiente.

Motor Diesel de 2 tiempos

Es similar al motor Otto, pero no requiere bujías ni válvulas de admisión y entrada. Al ser Diesel, el aumento de la presión incrementa la temperatura durante la compresión y la admisión. En el segundo tiempo, de combustión y escape, en vez de una bujía, existe un inyector que introduce el diésel directamente en la cámara de combustión, provocando la explosión, el descenso del pistón y la apertura de la lumbrera de escape.

Diferencias entre motores Otto y Diesel de 2 tiempos

• Otto: Usa bujía, gasolina, mezcla de aire y combustible, compresión de 6:1 a 10:1, barrido natural.
• Diesel: Autoexplosión por compresión, diésel, aire, inyección, compresión alta de 14:1 a 22:1, barrido con compresor o soplador.

Tipos de inyectores en motores Otto

• Inyección directa: Dentro de la cámara de combustión.
• Inyección indirecta: Antes de la válvula de admisión.
• Monopunto: Un inyector para todos los cilindros.
• Multipunto: Un inyector por cada cilindro.
• Inyección continua: Los inyectores inyectan de manera continua en los colectores de admisión.
• Inyección intermitente: Los inyectores inyectan de manera intermitente en los colectores de admisión.

Tipos de bombas en motores Diesel

1. Bomba lineal:
   • Funcionamiento: Usa un émbolo que mueve el combustible de manera lineal hacia los inyectores.
   • Características: Distribuye el combustible de forma precisa, ideal para motores pequeños.
   • Aplicaciones: Motores diésel pequeños.
2. Bomba rotativa:
   • Funcionamiento: Un rotor gira para distribuir el combustible a los cilindros.
   • Características: Flujo continuo de combustible, con control preciso y ajustes electrónicos en algunos casos.
   • Aplicaciones: Motores diésel en vehículos comerciales y maquinaria pesada.
3. Bomba acumulativa:
   • Funcionamiento: Acumula combustible a alta presión hasta que se inyecta.
   • Características: Mantiene la presión constante para la inyección eficiente.
   • Aplicaciones: Motores diésel de gran carga y alto rendimiento.
4. Inyector-bomba:
   • Funcionamiento: Combina la bomba y el inyector en un solo componente. La bomba suministra combustible directamente al inyector a alta presión.
   • Características: Alta precisión y control en la inyección.
   • Aplicaciones: Motores diésel modernos con inyección electrónica.

Rendimiento térmico

• Motor Otto: η_Otto = 1 - r_c^k-1
• Motor Diesel: η_Diesel = 1 - r_c^k-1 x [(r_c^k - 1) / k x (r_c - 1)]

Donde:

• r_c es la relación de compresión.
• k es el coeficiente adiabático.

Si se aumenta la relación de compresión, aumenta el rendimiento.

Diferencias entre ciclo teórico y real en motores Otto

• Pérdidas de calor: En el ciclo teórico son nulas, pero bastante sensibles en el ciclo real. Como el cilindro está refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistón, una cierta parte del calor del fluido se transmite a las paredes. Las líneas de compresión y expansión no son adiabáticas, sino politrópicas con exponente n diferente de k.
• Combustión no instantánea: En el ciclo teórico, la combustión se realiza a volumen constante y es instantánea, mientras que en el ciclo real, la combustión dura un cierto tiempo.
• Tiempo de apertura de la válvula de escape: En el ciclo teórico también se supone que la sustracción de calor ocurre instantáneamente en el PMI.

Diferencias entre ciclo teórico y real en motores Diesel

• Combustión a presión constante: En el ciclo teórico, la presión se mantiene constante, mientras que en el real varía durante el proceso. Una parte de la combustión se lleva a cabo a volumen constante y otra parte a presión constante, casi como en el ciclo Otto real. Solo en el caso de los motores muy lentos se desarrolla de forma ligeramente aproximada al proceso teórico.
• Disociación de los productos de la combustión: En el motor Diesel, la disociación no tiene un efecto tan importante como en el motor Otto, por cuanto el exceso de aire y la mezcla de los productos de la combustión son tales que reducen la temperatura máxima y, en consecuencia, también la disociación de dichos productos.
• Pérdida por bombeo: Las pérdidas por bombeo son inferiores a las que se producen en el ciclo Otto, puesto que no hay estrangulamiento en el aire de aspiración; en los motores Diesel no existe la válvula de mariposa, característica de los motores Otto provistos de carburador. Por eso, la superficie negativa del ciclo Diesel es menor que la del ciclo Otto.

¿Qué es la relación de compresión?

Es la relación que hay entre el volumen total del motor (cilindrada + cámara de combustión) y el volumen de la cámara de combustión. Permite medir la proporción en que se ha comprimido la mezcla de aire y combustible (motores Otto) o solo el aire en el caso de los motores Diesel, dentro de la cámara de combustión. La relación de compresión indica cuántas veces es mayor el volumen del cilindro que la cámara de compresión. Indica, por lo tanto, a cuánto se reduce por compresión el volumen original de la mezcla.

Sistema de refrigeración

El sistema de refrigeración es vital para mantener la temperatura del motor en niveles adecuados y evitar el sobrecalentamiento.

Tipos de refrigeración

• Refrigeración por aire:
  • Funcionamiento: Usa el flujo de aire generado por la rotación del motor o por un ventilador.
  • Aplicaciones: Motores pequeños o de alta rotación, como los de motocicletas y algunos motores pequeños de automóviles.
  • Ventaja: Simple y ligero.
  • Desventaja: Menos eficiente para motores de mayor tamaño o carga.
• Refrigeración por líquido (agua):
  • Funcionamiento: Utiliza un líquido refrigerante (mezcla de agua y anticongelante) que circula a través de un radiador y de conductos alrededor del motor para absorber el calor.
  • Componentes clave:
    • Radiador: Disipa el calor del líquido refrigerante.
    • Bomba de agua: Circula el líquido refrigerante.
    • Termostato: Regula la temperatura del motor.
  • Aplicaciones: Motores de automóviles, camiones, maquinaria pesada.
  • Ventaja: Más eficiente para motores de alto rendimiento o grandes cargas.
  • Desventaja: Más complejo y pesado debido a los componentes adicionales.

Bomba de engranajes

Las bombas de engranajes son un tipo de bomba positiva que se usa para trasladar fluidos, como aceite de lubricación o combustible, en el motor.

Funcionamiento: Engranajes sincronizados giran en un alojamiento cerrado, lo que permite que el fluido sea transportado desde la entrada hasta la salida.

Tipos de bombas de engranajes

• Bomba de engranaje externo: Los engranajes están fuera del eje, y el fluido es desplazado entre los dientes de los engranajes.
• Bomba de engranaje interno: Un engranaje interno se mueve dentro de un engranaje externo, desplazando el fluido hacia la salida.

Aplicaciones

• Lubricación de motores: Se utiliza en el sistema de lubricación para hacer circular el aceite.
• Sistemas hidráulicos: Se usa en aplicaciones industriales para mover fluidos hidráulicos.

Ventajas

• Eficiencia en la transferencia de fluidos.
• Simplicidad de diseño.
• Capacidad de manejar líquidos viscosos, como aceites.

Procesos termodinámicos en motores Otto y Diesel

Motor Otto

• Proceso de compresión: Adiabático.
• Proceso de combustión: Aproximadamente isocórico.
• Proceso de expansión: Adiabático.
• Proceso de escape: Aproximadamente isobárico.

Motor Diesel

• Proceso de compresión: Adiabático.
• Proceso de combustión: Aproximadamente isocórico (la inyección del combustible se produce a presión casi constante).
• Proceso de expansión: Adiabático.
• Proceso de escape: Aproximadamente isobárico.