Investigaciones VIII - MARIO ALAN DIAZ LOPEZ

Vista previa del material en texto

Clasificación y funcionamiento de motores de combustión interna.
El motor de combustión interna es una clase de máquina que transforma energía química, proveniente de un combustible, en energía mecánica. El combustible arderá en el interior de una cámara especial de combustión. Tal como lo indica su nombre, la combustión ocurre en el interior de la máquina en sí, diferente a otras máquinas que operan con una cámara externa de combustión; por ejemplo la máquina de vapor.
Entre la variedad de motores de combustión interna, destacan los alternantes, conocidos ordinariamente como motor de explosión y motor diésel. En estos motores térmicos, los gases que generan la reacción exotérmica del proceso de combustión van a empujar el émbolo o pistón. 
Este se desplaza dentro del cilindro y hace que gire el cigüeñal, para obtener como resultado el movimiento de rotación.
Funcionamiento.
El motor de combustión interna de la mayoría de los vehículos posee cuatro fases, por las cuales debe atravesar para que se realice completo el ciclo.
1. Admisión: Baja el pistón del cilindro y aspira la mezcla de aire/combustible a través de la válvula de admisión. En este instante la válvula de salida está cerrada.
2. Compresión: Las dos válvulas se cierran, sube el pistón y comprime la mezcla carburante.
3. Explosión: Es aquí cuando la bujía emite una chispa en la mezcla que produce la ignición. El pistón baja y se produce el movimiento.
4. Escape: Sube de nuevo el pistón y se abre la válvula de escape, dejando salir los gases que se producen en la explosión.
La clasificación más importante de los motores alternativos se basa en el tipo de combustible que emplean para la reacción de combustión, los cuales son:
· Motores de explosión ciclo Otto: Es el motor convencional de gasolina que funciona a cuatro tiempos. Su nombre proviene de quien lo inventó, Nikolaus August Otto. Su funcionamiento se basa en la conversión de energía química en energía mecánica a partir de la ignición producto de la mezcla carburante de aire y combustible.
· Motores Diésel: Fueron inventados por Rudolf Diésel. Emplean como combustible gasoil (conocido mayormente como Diésel). También pueden usar una variante ecológica conocida como biodiesel. Esta clase de motor emplea compresión para el encendido en vez de una chispa.
 También se pueden diferenciar las clases de motores por el tipo de ciclo trabajo que desempeñan, los cuales pueden ser:
· Motor de 2 tiempos: El ciclo termodinámico se desarrolla en cuatro etapas: Comenzando por la admisión, después la compresión, la explosión y finalmente el escape. Todo esto se lleva a cabo en dos movimientos del pistón en forma lineal, es decir, una vuelta del cigüeñal. Estos motores no presentan válvulas y son mucho más simples y deben llevar el aceite unido al combustible en una sola mezcla.
· 
· Motor de 4 tiempos: En estos motores las cuatro etapas termodinámicas se realizan separadamente, por lo que hay una explosión cada dos vueltas que hace el cigüeñal. Presenta válvulas de admisión y de escape. Es el tipo de motor más empleado en los automóviles actuales. Los motores también se clasifican por la configuración que presentan, las cuales pueden ser: Lineal, en V, en H, en W, bóxer, cilindro opuesto, axial, radial y Wankel o rotativo. Estos nombres se refieren a la forma en que están colocados los cilindros, los cuales presentan distintos ángulos.
Ciclo Otto.
Los motores de combustión interna que encienden por la ignición de un combustible provocada por una chispa eléctrica suelen trabajar fundamentados en el ciclo Otto. Se trata de un ciclo termodinámico donde, teóricamente, el calor se aporta a un volumen constante.
El motor que funciona basándose en este principio se caracteriza porque, para su funcionamiento, aspira una mezcla de aire/combustible (por lo general gasolina). Se trata de un motor alternativo donde trabaja un sistema de pistón/cilindro con la presencia de válvulas de admisión y de escape.
Elementos que intervienen en el ciclo de Otto.
El cilindro del motor de combustión interna se moverá hacia arriba y hacia abajo a través de la biela y transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular. De esta forma, el cigüeñal termina haciendo un movimiento giratorio. Para que el movimiento pueda producirse se requiere de una fuerza impulsora, es en este aspecto donde el ciclo Otto entra en acción.
El cilindro debe poseer por lo menos dos válvulas, una de entrada y otra de salida. Las válvulas estarán abiertas o cerradas dependiendo de la fase en que se encuentre el motor. La apertura y cierre de válvulas está regulado por el sistema de distribución del vehículo. Por otro lado, la bujía es una pieza que se conecta al sistema eléctrico y que puede producir una chispa que induce la explosión de la mezcla de aire/combustible.
Fases teóricas.
Las fases que posee el ciclo Otto se conocen como: Admisión, compresión, explosión y escape. Estas son las que definen todo el proceso que se lleva a cabo en el cilindro y que resulta en movimiento del motor. Se dice que son fases teóricas porque, como se podrá constatar a medida que se desarrolla el ciclo, lo normal es que las fases ocurran traslapadas y no de manera lineal. Antes de que una fase termine, ya ha comenzado la siguiente.
Los motores que se rigen por el principio del ciclo Otto pueden ser de dos o de cuatro tiempos. Este último es, además del motor diésel, el más empleado en los coches y diversos vehículos automotores. Principalmente porque su rendimiento es mejor y genera menos contaminación que el motor de dos tiempos.
El ciclo Otto en motores de cuatro tiempos está conformado por seis procesos, de los cuales dos de ellos no participan como tal en el ciclo termodinámico del fluido que opera. Sin embargo, son esenciales para renovar la carga del mismo. Estos procesos corresponden a la admisión y al vaciado a presión constante de la cámara de combustión.
1. Admisión: La válvula de entrada o admisión está abierta y la de escape se encuentra cerrada. La fase de admisión se desarrolla desde el momento en que el pistón se ubica en la parte superior (Punto Muerto Superior – PMS) hasta que baja al punto inferior (Punto Muerto Inferior – PMI). A medida que el pistón va descendiendo, se produce un efecto de succión que hace entrar la mezcla en la cámara de combustión.
2. Compresión: Al momento que el pistón se ubica en el PMI, la válvula de admisión cierra y la de escape también se mantiene cerrada. En esta fase el pistón asciende y la cámara de combustión disminuye claramente su volumen, comprimiendo la mezcla. La relación que hay entre el volumen máximo existente antes de que el pistón baje al PMI y el volumen mínimo que tiene cuando el pistón está en el PMS se conoce como relación de compresión del motor.
3. Explosión: Cuando la mezcla se encuentra totalmente comprimida y las válvulas están cerradas, una chispa se produce en la bujía y hace que la mezcla arda. Esta explosión generada por la combustión es lo que empuja al pistón hacia la parte de abajo. Esta es la fase efectiva de todo el ciclo y es la que define la potencia de un motor.
4. Escape: Al volver el pistón al PMI, la válvula de escape se abre para que el pistón ascienda y libera fuera del cilindro los gases que resultan de la explosión. Esto permite que haya nuevamente aire limpio para comenzar el ciclo en la fase de admisión.
En el caso de los motores que trabajan a dos tiempos, el cambio de los gases es dirigido por el pistón y no por las válvulas. El pistón a medida que se mueve, varía las condiciones de compresión en el cárter y el cilindro para completar el ciclo.
1. Compresión y Aspiración: Un pistón ascendente comprime la mezcla de aire/combustible y aceite que está en el cilindro. De forma simultánea se crea vacío en el cárter y al finalizar la carrera del pistón queda libre una lumbrera de aspiración que llenará el cárter con la mezcla carburante.
2. Explosión y Escape de gases: Por medio de una chispa ocasionada por la bujía se prende la mezcla comprimida y se crea una explosiónque empuja el pistón con fuerza hacia abajo. Dentro del cárter, la mezcla carburante se pre comprime por acción del pistón descendente. En un momento específico, el pistón libera la lumbrera o el canal de escape en el cilindro y deja salir los gases resultantes del cilindro, después de la lumbrera de carga (la que conecta cárter con cilindro). De esta manera, la mezcla pre comprimida pasa a llenar el cilindro y libera los restos de gases, quedando todo listo para un ciclo nuevo. Este tipo de motor se usa principalmente en motores con poca cilindrada, porque es más económico y fácil de construir.
El rendimiento promedio de un motor con ciclo Otto de cuatro tiempos está entre 25 y 30%, menor al que alcanza un motor diésel que puede obtener hasta un 45% de rendimiento. Precisamente esto ocurre porque tiene una relación de compresión mayor.
Motor Diésel.
Los motores diésel son máquinas térmicas que trabajan por combustión interna alternativa. La combustión es el producto de la auto-ignición que sufre el combustible a causa de los altos niveles de temperatura que genera la elevada relación de compresión que posee. El ciclo que cumple para su funcionamiento se conoce como ciclo Diésel.
Varía con respecto a un motor de gasolina en el tipo de combustible que emplea, a saber gas-oil, gasóleo o aceites pesados productos del petróleo. También puede utilizar acetites naturales, como el de girasol. De hecho, el combustible que se usó inicialmente para poner a trabajar el motor diésel fue el aceite de cacahuate.
· Segmentos: Se trata de piezas en forma de circular y auto tensadas que se colocan en las ranuras del pistón. Sirven de cerradura hermética móvil entre el cárter del cigüeñal y la cámara de combustión. Evitan que haya pérdidas de aceite cuando este pasa a la cámara de combustión., al mismo tiempo que dejan una capa fina de aceite lubricante en las paredes de la camisa.
· Bloque del motor: Es una estructura en donde se colocan el resto de las piezas, tales como: Cigüeñal, árbol de levas, entre otras. Tiene abertura en donde se colocan los cilindros, las varillas de empuje de válvulas, conductos del anticongelante, los ejes de levas y los apoyos de cojinetes de bancada. También cuenta con unos taladros en la parte de arriba en los que se sujetan las juntas de la culata.
· Culata: Es la pieza que cierra cada cilindro en la parte superior. Son soporte para otros componentes como: Balancines, válvulas, inyectores, etc.
· Cigüeñal: Son un conjunto de manivelas pequeñas, una por cada pistón. Su trabajo es convertir el movimiento lineal en un movimiento giratorio. Está ubicado sobre los cojinetes principales del bloque del motor.
· Pistones: Son estructuras que se mueven de arriba hacia abajo, siendo elementos fundamentales del motor. Poseen de 2 a 4 segmentos. El segmento superior es de compresión y el inferior de engrase.
· Árbol de levas: Es el eje giratorio que se encarga de mover unas levas y permite distribuir el movimiento sincronizado en el motor.
· Cárter: Conocido también como sumidero, es el componente que cierra el bloque del motor y donde está alojado la gran parte del aceite. Rodea al cigüeñal principalmente.
· Bomba inyectora: Dispositivo que eleva la presión del combustible en el sistema de inyección hasta un nivel elevado. Cuando es inyectado, entra pulverizado a la cámara para producir la inflamación espontánea. Distribuye además el combustible a los cilindros en el orden adecuado de funcionamiento.
· Bomba de transferencia: Es la que alimenta de forma constante la bomba inyectora, usando una presión especifica.
· Toberas: Están encargados de introducir el gasoil pulverizado dentro de la cámara de combustión. Están conformadas por un conjunto pistón/cilindro. Hacia el extremo del cilindro posee un agujero súper fino por el que se expulsa el combustible a presión elevada.
· Bujías de precalentamiento: Es un elemento que se usa para ayudar al motor diésel a arrancar. Algunos de estos motores, en condiciones de frio, tienen dificultades en el arranque. Las bujías de precalentamiento dirigen calor hacia el bloque alrededor de los cilindros.
Funcionamiento.
El funcionamiento de un motor diésel es el mismo que el de cualquier motor de combustión interna térmico. Presenta autoencendido debido a las elevadas temperaturas que ofrece la compresión del aire dentro del cilindro. Varían con relación a los de gasolina al no requerir de una chispa para que enciendan. Las bujías incandescentes que suben la temperatura de la cámara mejora el arranque en frío y se aprovecha el calor al alcanzar la temperatura óptima.
1. Admisión: En el primer tiempo de funcionamiento ocurre el llenado de aire. La válvula de admisión se mantiene abierta a medida que el pistón va bajando hacia su punto muerto inferior. Siempre se permite la entrada de la cantidad total de aire, indistintamente de la condición de carga. Cuanto más fresco esté, menor densidad y mayor cantidad entrará, haciendo que aumente la combustión.
2. Compresión: Se cierra la válvula de admisión una vez que el pistón llega a su punto muerto inferior y empieza a subir hasta el superior, a la vez que contrae el aire que está dentro del cilindro. La relación es de aproximadamente 18:1 y en este momento la temperatura se eleva de forma significativa.
3. Combustión: Poco tiempo antes de que el pistón alcance el punto muerto superior, un inyector atomiza combustible en la cámara. El combustible se inflama inmediatamente cuando entra en contacto con el aire que está caliente. Como se puede notar, no se necesita de la chispa que produce la bujía, con el calor que esta trasmite es suficiente.
4. Escape: La temperatura elevada genera presión, impulsando al pistón con fuerza hacia abajo. Parte de la energía que aquí se produce se emplea después para que regrese al punto muerto inferior. Los gases quemados se expulsan, dejando que comience el ciclo por efecto de la inercia.