Descripción de los sistemas de un motor de combustión interna alternativo (MCIA)

 

 INTRODUCCIÓN

            El funcionamiento de un motor consta de una serie de entradas (energía  entre otras entradas) con el fin de conseguir una salida en forma de energía mecánica (entre otras salidas) como se puede apreciar en la figura 1.

 

            En los motores de combustión interna se inflama un combustible en el interior de los cilindros para obtener la fuerza necesaria que impulse a los pistones y haga girar al cigüeñal, transformando la energía química contenida en el combustible en energía mecánica de rotación.

 

            La inflamación del combustible se realiza siguiendo un ciclo de funcionamiento de dos o cuatro tiempo, y el encendido del combustible se logra mediante el salto de una chispa eléctrica (motores de gasolina), o simplemente por compresión (motores diesel). Las diferencias en los ciclos de trabajo de estos dos tipos de motores implican variantes esenciales en su estructura y componentes.

 

            Puede decirse, en general, que el ciclo de trabajo del motor presenta varias fases, en el transcurso de las cuales, se introduce en el cilindro una carga de aire y combustible que posteriormente se inflama, desarrollándose una elevada presión que produce un empuje sobre los pistones, lo que supone el esfuerzo del motor. Posteriormente, el gas quemado es vertido al exterior y se sucede un nuevo ciclo.

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Figura 1: Diagrama de bloques de entrada y salida de un motor.

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA: CICLOS DE FUNCIONAMIENTO

 

            Ciclos operativos

            El ciclo operativo es la sucesión de operaciones que se realizan en el interior del cilindro y se repiten con la ley periódica. Se mide con el número de carreras del pistón necesarias para realizarlo. Por lo que un motor de cuatro tiempos tendrá cuatro carreras y el de dos tiempos dos carreras.

             En los motores de explosión, el ciclo de cuatro tiempos se desarrolla de la siguiente forma:

  • Primera fase: admisión

      El pistón se encuentra en el P.M.S. y la válvula de admisión abierta. El descenso del pistón hasta el P.M.I. implica un aumento del volumen que genera una depresión en el interior del cilindro que provoca la entrada de una mezcla de aire y gasolina dosificada en el cilindro. Por lo que se van llenando el espacio vacío que deja el pistón al bajar. Cuando ha llegado al P.M.I. se cierra la válvula de admisión, quedando los gases encerrados en el interior del cilindro.

  • Segunda fase: compresión

      El pistón llega al P.M.I. se cierra la válvula de admisión y comienza la carrera ascendente. Los gases encerrados en su interior, van ocupando un espacio cada vez mas reducido a medida que el pistón se acerca al P.M.S. en este punto se encuentran encerrados en la cámara de combustión por lo que están comprimidos y calientes. Al terminar la carrera los gases quedan a una presión aproximada de 10 bares y a una temperatura de 250º aproximadamente. Con la elevación de la temperatura se consigue una vaporización de la gasolina, consiguiéndose una mezcla más homogénea. Durante esta fase el cigüeñal ha girado media vuelta.

  • Tercera fase: explosión

      Al terminar la carrera de compresión el pistón se encuentra en el P. M. S. salta una chispa eléctrica en la bujía que inflama la mezcla encerrada en la cámara de compresión, que se quema rápidamente por capas sucesivas desde la bujía.  Esta combustión recibe el nombre de explosión y provoca una expansión de los gases ya quemados, que ejercen una fuerte presión sobre el pistón, empujándolo hasta el P.M.I. de este modo la presión en el interior del cilindro ira descendiendo porque los gases ocupan mayor espacio. El pistón recibe un fuerte impulso que transmite al cigüeñal, el cual seguirá girando, debido a su inercia, hasta recibir un nuevo impulso. En este tiempo el cigüeñal ha girado otra media vuelta. A esta fase se le denomina motriz, por ser la única del ciclo en la que se produce trabajo.

  • Cuarta fase: escape

      Cuando el pistón llega al P.M.I. finalizando el tiempo de explosión, se abre la válvula de escape y por ella escapan rápidamente al exterior los gases quemados. Cuando el pistón sube hasta el P.M.S. expulsa el resto de los gases quemados en el interior del cilindro. Al alcanzar este nivel, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión cerrándose así el ciclo. Durante este tiempo de escape el cigüeñal ha girado otra media vuelta.

      Los motores que funcionan en el ciclo de cuatro tiempos, efectúan cuatro carreras en el ciclo y como ya hemos dicho solo en una se genera trabajo. El cigüeñal recibe un impulso cada dos vueltas completas por cada cilindro, que proporciona al volante de inercia unido a el la energía suficiente para arrastrarle durante la vuelta y media siguiente en la que no recibe impulso alguno, sin que su velocidad de rotación disminuya en exceso.

      En los motores de combustión (M.E.C.), el ciclo de cuatro tiempos se desarrolla de la siguiente forma (ver fig. 2):

  • Primera fase: admisión

      En los motores diesel, en el tiempo de admisión el cilindro se llena de aire. A continuación la válvula de admisión se abre y el pistón movido por el cigüeñal, que ha recibido la energía necesaria en el ciclo procedente, baja desde el P.M.S. al P.M.I. creando una depresión en el cilindro debida al aumento del volumen. Por lo que el cilindro se llena de aire que entra por la válvula de admisión.

      Normalmente se considera  que en la admisión la presión que existe en el interior del cilindro es la atmosférica.

  • Segunda fase: compresión

      En la compresión la válvula de admisión se cierra, permaneciendo así también la de escape. El pistón sube completamente comprimiendo el aire del cilindro y al final de este tiempo ocupa solo el espacio interior de la cámara de combustión.

      En este tiempo la temperatura es alta aproximadamente 750º por la alta compresión. También existe un aumento de la presión entorno a los 40 bares. La elevada presión obtenida al final de la compresión es el resultado, por una parte, de la disminución del volumen del cilindro en razón de la subida del pistón y por la fuerte elevación de temperatura del aire contenido en el cilindro.

  • Tercera fase: combustión

      Al final del segundo tiempo, el inyector introduce en la cámara de combustión una cierta cantidad de combustible pulverizado, que al contacto con el aire se calienta y se inflama espontáneamente. A medida que el combustible entra en la cámara de combustión, se genera una fuerte presión que empuja el pistón hacia el P.M.I. transmitiendo esta energía al cigüeñal. En el estudio de la combustión se diferencian tres fases:

    1. Al comienzo la combustión es brutal, porque el pistón todavía no ha comenzado a bajar y los gases ocupan un espacio muy reducido. Por ello la presión se eleva de manera considerable instantáneamente (aproximadamente 80 kg/cm2).
    2. Después el pistón comienza a descender mientras continua la inyección de combustible y su combustión. El aumento de volumen debido al descenso del pistón esta compensado por la dilatación de los gases de la combustión, resultando que la presión en el cilindro es sensiblemente constante.
    3. La combustión cesa mientras el pistón continua descendiendo, lo que entraña una disminución de presión en el cilindro, debida al aumento del volumen. Cuando el pistón llega al P.M.I. todavía queda una cierta presión en el cilindro.
  • Cuarta fase: escape

      Alcanzando el P.M.I. la válvula de escape se abre, con lo que al subir el pistón hasta el P.M.S. empuja a los gases quemados que se encuentran en el interior del cilindro, haciéndose salir al exterior por esta válvula. En el estudio del escape se diferencian dos fases:

  1. En el momento de abrirse la válvula de escape, la presión en el cilindro desciende hasta igualarse a la presión atmosférica.
  2. Durante la subida del pistón, los gases quemados son evacuados por la válvula de escape. Al legar el pistón al P.M.S. la válvula de escape se cierra, abriéndose la de admisión y comenzando un nuevo ciclo.

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Figura 2: Ciclo de combustión en un motor de cuatro tiempos.

            Motor de dos tiempos

            En estos motores las cuatro operaciones de que se compone el ciclo del motor de cuatro tiempos se realizan en, sólo, dos carreras del pistón, existiendo una explosión por cada vuelta del cigüeñal, ver figura 3.

            La mayoría de estos motores no tienen válvulas sino que van provistos de tres ventanas o lumbreras. La primera es la de escape y está situada frente a la de admisión de mezcla. Hay una tercera lumbrera, por la que entra la mezcla al cárter desde el que pasa al cilindro. Al igual que en el motor de cuatro tiempos, en el de dos también hay segmentos de compresión, pero no de engrase dado que éste se efectúa directamente por el aceite que porta la mezcla carburada y que mantiene una proporción, aproximada, de medio litro de aceite por diez de gasolina.

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Figura 3: Ciclo de dos tiempos.

 

 

            Componentes básicos de motor

            El motor de un vehículo aprovecha la fuerza expansiva de los gases de la combustión en el interior de un cilindro para proporcionar el giro a las ruedas que mueven el vehículo.

            Los motores de estas características se denominan de combustión interna y un ejemplo es la figura 4. Dentro de este grupo se diferencian lo de encendido por chispa (M.E.P.) y los mores por compresión (M.E.C.).

Figura 4: Componentes básicos del motor.

            A partir de la figura 4 se representan los elementos de un motor de explosión, donde el cilindro alberga en su interior  un pistón que se ajusta perfectamente a sus paredes por medio de unos aros o segmentos, evitando posibles fugas. Al pistón se le une la biela por medio de un eje, de manera que pueda bascular en él. Su extremo inferior se acopla al codo del cigüeñal, cuando esta gira el pistón se desplaza con sucesivos movimientos ascendentes y descendentes.

            El cilindro se cierra por su parte superior a través de la culata, en la que se alojan válvulas: una de ellas se le denomina de admisión y abre o cierra el paso con el cilindro. La otra válvula se le denomina de escape y abre o cierra un conducto que comunica al cilindro con el exterior. Las válvulas son gobernadas generalmente por un perfil de leva. También en la culata se encuentra la bujía, encargada de producir la chispa que inflamará los gases comprimidos en el cilindro, cuando éste ocupa la posición más alta de su recorrido ascendente, a este espacio se le llama la cámara de combustión. En la parte inferior se acopla el cárter.

            A través del giro del cigüeñal, el codo describe la circunferencia, el pistón, por medio de la biela, se desliza arriba y abajo en el interior del cilindro, el pistón alcanza su nivel mas elevado de su movimiento ascendente (llamado Punto Muerto Superior P.M.S.) y cuando el pistón alcanza su nivel inferior de su movimiento descendente (llamado Punto Muerto Inferior P.M.I.). La distancia ente el P.M.S. y el P.M.I. se le denomina carrera y el volumen entre estos dos puntos se le denomina cilindrada.

            En los motores de explosión (M.E.P.) existe una mezcla de aire y combustible que se aloja en el interior del cilindro. Este la comprime y provoca la explosión por medio de una chispa. En los motores diesel se emplean combustibles que se inflaman a temperaturas altas como el diesel, que se inyecta en el cilindro, en el que se comprime aire solamente y por efecto de la compresión elevada, se calienta. Así a medida que va entrando el diesel en el cilindro, va inflamándose al contacto con el aire comprimido y caliente. En este sistema no emplea sistema de encendido sino se emplea un sistema de inyección. Los órganos de este motor son similares a los del motor de explosión aunque más robustos.

            Cualquiera que sea el motor la válvula de admisión y la de escape, están accionadas por los órganos de la distribución, por medio de engranajes o correas se mueve el árbol de levas que recibe el movimiento del cigüeñal. Las levas actúan sobre taqués, empujadores y balancines, para transmitir el movimiento a las válvulas para su apertura o cierre, según la ley definida por la forma y posición de las levas. Las válvulas se mantienen en su posición a través de resortes.