Clasificación de los Motores Térmicos
Lugar en que se produce la combustión
Motores Térmicos de Combustión Externa:
Aquellos en los que el calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio, el cual produce la energía mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. A este grupo pertenecen las máquinas de vapor y las turbinas de vapor.
Motores Térmicos de Combustión Interna:
La combustión se produce en una cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan directamente, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor. Dentro de este grupo se integran los motores de explosión, los diésel, las turbinas de gas de ciclo abierto, etc.
Ciclo que sigue el motor
Motores de Cuatro Tiempos:
Así llamados debido a que un ciclo termodinámico completo de funcionamiento se puede dividir en cuatro etapas. El nombre de estas etapas es admisión, compresión, expansión y escape. Es el motor más utilizado en los automóviles.
Motores de Dos Tiempos:
En ellos el ciclo se completa en dos etapas: Admisión-compresión y Expansión-escape. Los ciclomotores se mueven por este tipo de motor.
Atendiendo al tipo de movimiento
Motores Alternativos:
En este tipo de motores un pistón se mueve alternativamente arriba y abajo en el interior de un cilindro.
Motores Rotativos:
En ellos el fluido actúa sobre pistones o turbinas cuyo movimiento es giratorio. Un ejemplo es el motor Wankel.
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot es un ciclo teórico y reversible. Este obtuvo la expresión del rendimiento máximo de un motor térmico independientemente de las consideraciones de diseño y de la naturaleza del sistema, dependiendo solamente de las temperaturas de los focos fríos y calientes (móvil).
Motores de Combustión Externa
Máquina de Vapor y Motor Stirling (Alternativos)
Máquina de Vapor:
Un motor de combustión externa, capaz de transformar energía de una cierta cantidad de vapor de agua, realizando un trabajo cinético o mecánico. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado, viéndose desplazado especialmente por el motor eléctrico y por el motor de combustión interna.
Funcionamiento:
Se genera vapor de agua por el calentamiento en una caldera cerrada herméticamente, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela – manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.
Ciclo de Rankine
Propio de los motores de combustión externa, el ciclo Rankine consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor obtenido, que incide sobre las levas de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Continua el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licua, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.
Etapas del ciclo (con dos turbinas de alta y baja presión, y condensador)
Transformación 1-2: Mediante un compresor, la presión del líquido aumenta sin perder calor con la aportación de un trabajo mecánico (Máquina de Expansión o MCE).
Transformación 2-3: Se aporta calor al líquido a una presión constante en una caldera haciendo que este se evapore elevándose la temperatura al máximo.
Transformación 3-4: Se produce una expansión adiabática en la que el vapor realiza un trabajo en la turbina.
Transformación 4-1: El fluido vaporizado se refrigera a presión constante en un condensador para convertirlo en líquido y comenzar de nuevo el ciclo.
Motores de Combustión Interna Alternativos
Clasificación según su forma de ignición
a) Encendido por Explosión: Motor de Ciclo Otto (de Gasolina)
En estos motores, al final de la etapa de compresión, se dispone de una mezcla de aire y combustible prácticamente homogénea, en la cual se inicia el proceso de combustión con la ayuda de un agente externo, usualmente una descarga eléctrica.
b) Encendido por Compresión (Motor de Ciclo Diésel)
En estos motores el fluido en el cilindro, normalmente aire, es comprimido hasta elevar la temperatura del mismo a tal punto que el combustible inflame nada más inyectarse en el interior del cilindro, al final de la etapa de compresión.
Las diferencias esenciales entre los dos motores son:
- Introducción del combustible. En los motores de ciclo Otto, se introduce la mezcla aire-combustible directamente en la cámara de combustión. En los motores de ciclo Diésel, se introduce primero el aire y luego el combustible es inyectado.
- Encendido del combustible. En los motores de ciclo Otto, mediante chispa. En los motores de ciclo Diésel, mediante compresión.
- Relación de compresión. Es mayor en los motores de ciclo Diésel, debido a que los cilindros tienen que soportar más presión durante la compresión para producir el encendido del combustible.
Elementos principales de que consta
- Bloque
- Válvula de Admisión
- Bujía
- Válvula de Escape
- Cámara de Combustión
- Cilindro
- Culata o Tapa de Cilindros
- Pistón
- Biela
- Cigüeñal
- Cráter
Descripción del funcionamiento en 2T y 4T. Conceptos varios.
Motor de 2 Tiempos (se explica el de gasolina)
Tiempo 1: ADMISIÓN – COMPRESIÓN: En un motor 2 tiempos es el pistón el que, con su movimiento, actúa de válvula abriendo la admisión de la mezcla, y el escape de los gases quemados, a la altura de la cámara de combustión. La admisión y la compresión se realizan al mismo tiempo. En este tiempo el pistón va de abajo a arriba, es decir, desde el cárter hacia la culata. En su desplazamiento succiona la mezcla de gasolina, aire y aceite en su parte inferior, mientras que simultáneamente se encarga de comprimir la mezcla de la admisión anterior en la parte superior.
Tiempo 2: EXPLOSIÓN – ESCAPE: El segundo tiempo comienza con el pistón situado en su punto muerto superior, comprimiendo al máximo la mezcla de gasolina, aire y aceite, lo que hace chocar sus moléculas más rápidamente y aumentar considerablemente la temperatura de la mezcla. En ese momento la bujía genera una chispa que incendia la mezcla provocando su combustión. Esta explosión hace mover violentamente el pistón hacia abajo, transmitiendo el movimiento al cigüeñal a través de la biela, y con ese movimiento deja abierto el escape por donde son liberados los gases recién quemados. En ese movimiento descendiente el pistón empuja la mezcla nueva que había entrado en su anterior subida, y al bajar transfiere la mezcla del cárter a la cámara de combustión.
Motor de 4 Tiempos
Tiempo 1: ADMISIÓN: En el primer tiempo una mezcla de gasolina y aire va a entrar en la cámara de combustión del cilindro. Para ello el pistón baja del punto superior del cilindro al inferior, mientras que la válvula o válvulas de admisión se abren y dejan entrar esa mezcla de gasolina y aire al interior del cilindro, para cerrarse posteriormente. La gasolina es combinada con aire ya que, de por sí, la gasolina sola no ardería y necesita oxígeno para su combustión.
Tiempo 2: COMPRESIÓN: Con el pistón en su posición más baja y la cámara de combustión llena de gasolina y aire, la válvula de admisión se cierra y deja la cámara cerrada herméticamente. La inercia del cigüeñal al que está unida la biela del pistón hará que el pistón vuelva a subir y comprima así la mezcla. La gasolina y el aire se comprimen dentro de una cámara hermética y, al reducirse de tal manera el espacio, las moléculas chocan entre sí aumentando la temperatura de la mezcla.
Tiempo 3: EXPLOSIÓN: En el tercer tiempo, con el pistón en su posición más alta y comprimiendo la mezcla de gasolina y aire, es cuando entra en acción la bujía. Es en este preciso momento, con la mezcla comprimida y a una alta temperatura, cuando la bujía genera una chispa que hace explotar violentamente esa mezcla. La combustión hace empujar el pistón hacia abajo con fuerza y la biela y el cigüeñal se encargan de convertir ese movimiento lineal del pistón, de arriba a abajo, en un movimiento giratorio.
Tiempo 4: ESCAPE: El pistón se encuentra en su parte más baja de nuevo y con la cámara de combustión llena de gases quemados productos de la combustión de la gasolina y el aire. El pistón vuelve a subir en este cuarto tiempo y al hacerlo empuja esos gases hacia arriba para que salgan por la válvula de escape.
Punto muerto: Se denomina así a la disposición de un elemento mecánico, cuando no hay transmisión de movimiento.
Relación de compresión: Es el número que permite medir la proporción en volumen que se ha comprimido la mezcla de aire-combustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diésel) dentro de la cámara de combustión de un cilindro. Es decir, el volumen máximo o total (volumen desplazado más el de la cámara de combustión) entre el volumen mínimo.
Cilindrada: Es el nombre dado a la suma del volumen útil de todos los cilindros.
Punto muerto superior (PMS): Se refiere a la posición que alcanza el pistón al final de una carrera ascendente, escape o compresión.
Punto muerto inferior (PMI): Se refiere a la posición que alcanza el pistón, en el que se sitúa lo más cerca posible del cigüeñal y lo más alejado de la culata.
Carrera: Distancia del PMS al PMI.
Sobrealimentación
La sobrealimentación es un sistema que se utiliza para que un motor de combustión interna desarrolle más potencia. Un motor con sobrealimentación utiliza un GRUPO TURBINA COMPRESOR (turbocompresor) para aumentar la masa de combustible que entra al cilindro en la fase de admisión, aumentando su presión en el motor de combustión interna alternativo, para aumentar la potencia. El funcionamiento del turbo se basa en una pequeña turbina compresora metida dentro de una caracola, unida por un eje a una turbina de empuje, que es impulsada por los gases de escape. El turbo gira a altas revoluciones y para evitar la fricción y desgaste de sus componentes, su montaje se realiza en flotación de aceite, es decir, la bomba de aceite envía el caudal suficiente como para mantener en flotación el eje del turbo para evitar su desgaste y gripado del mismo. Todos los motores turbo alimentados llevan instalado un refrigerador de aceite, ya sea un radiador de aceite o un intercambiador de temperatura aceite-refrigerante, ya que el aceite al paso por el eje del turbo se expone a altísimas temperaturas.