es la rama de la mecánica que estudia y aplica los principios propios de la física y mecánica para la generación y transmisión del movimiento en sistemas automotrices, como son los vehículos de tracción mecánica
Un motor de combustión interna, motor de explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la propia máquina, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.
El motor tal como lo conocemos hoy fue desarrollado por el alemán Nikolaus Otto, quien en 1886 patentó el diseño de un motor de combustión interna a cuatro tiempos, basado en los estudios del inventor francés Alphonse Beau de Rochas de 1862, que a su vez se basó en el modelo de combustión interna de Barsanti y Matteucci.
Aplicaciones más comunes
Motor SOHC de moto de competición, refrigerado poraire, 1937.
Las diferentes variantes de los dos ciclos, tanto en diésel como en gasolina, tienen cada uno su ámbito de aplicación.
2T gasolina: tuvo gran aplicación en las motocicletas, motores de ultraligeros (ULM) y motores marinos fuera-borda hasta una cierta cilindrada, habiendo perdido mucho terreno en este campo por las normas anticontaminación. Actualmente siguen en uso para las cilindradas mínimas de ciclomotores y scooters (50 cc), o un poco más grandes de motocicletas de competición y motocross, pequeños motores de motosierras y otras máquinas portátiles ligeras, y pequeños grupos electrógenos (2015).
4T gasolina: domina en las aplicaciones en motocicletas de todas las cilindradas, automóviles, aviación deportiva y fuera borda.
2T diésel: domina en las aplicaciones navales de gran potencia, hasta 100 000 CV hoy día, y tracción ferroviaria. En su momento de auge se usó en aviación con cierto éxito.
4T diésel: domina en el transporte terrestre, automóviles y aplicaciones navales hasta una cierta potencia. Empieza a aparecer en la aviación deportiva.
En los 4T es muy frecuente designarlos mediante su tipo de distribución: SV, OHV, SOHC, DOHC. Es una referencia a la disposición del (o los) árbol de levas.
Cámara de combustión
La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al cilindro. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por una biela al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón.
En los motores de varios cilindros, el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor alternativo puede tener de 1 a 28 cilindros.
Motor convencional del tipo Otto
Motor Otto de 2T refrigerado por aire de una moto: azul aire, verde mezcla aire/combustible, gris gases quemados.
El motor convencional del tipo Otto es un motor de tipo alternativo de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción, la refrigeración y falta de constancia en las condiciones de funcionamiento.
La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25 %: solo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar suministrando diferentes potencias en cada momento. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial, ya que, cuando esto sucede, la cámara de compresión mantiene su volumen, dando una compresión final baja y transformando gran parte de la energía en calor.
Funcionamiento (Figura 1)
1. Tiempo de admisión - El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión.
2. Tiempo de compresión - La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía.
3. Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
4. Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.
También existe una variación del ciclo Otto que mejora la eficiencia del motor al aumentar el tiempo de expansión con respecto al tiempo de compresión conocido como Ciclo Miller.
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar solo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas en la culata, lumbreras, orificios (que quedan expuestos al ir subiendo y bajando el pistón). En los motores de dos tiempos, casi siempre lubricados añadiendo aceite a la gasolina, la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través de la lumbrera de admisión cuando el pistón está en la posición más alejada de la culata. El primer tiempo es la compresión-encendido, en la que se inicia la combustión de la carga de mezcla aire/combustible/aceite cuando el pistón avanza hasta el final del ese tiempo (PMS). Después, el pistón se retira en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara. De los dos procedimientos para el 'barrido' dentro de los cilindros de los motores de dos tiempos, proceso por el cual entra la nueva carga y se expulsan al escape los gases procedentes de la combustión de la mezcla de trabajo, se ha demostrado (SAE) que el llamado: 'barrido en lazo' ('Loop scavenging' en inglés) da siempre mejores resultados que el sistema llamado: 'Unidireccional' ('Uniflow scavenging' en inglés).
Motor de cuatro tiempos
Hacia 1879 Nicolaus August Otto diseñó y construyó un motor con doble expansión, concepto propuesto por los ingleses Jonathan Hornblower y Artur Woolf en 1781, antes de que Watt llevase a la práctica la máquina de vapor. La primera expansión se hacía en el cilindro donde se realizó la combustión, y una segunda en otro pistón, este a baja presión, con el objetivo de lograr el aprovechamiento de la energía de los gases de escape; incluso se han construido motores con triple expansión, como el Troy, y el principio se usó en muchos motores marinos. En 1906 la empresa EHV radicada en Connecticut, EEUU, fabricó un motor de combustión interna de tres cilindros y doble expansión que montaron en un automóvil. Al igual que el motor construido por Otto, cuyo comprador lo devolvió, el motor de EHV no demostró en la práctica las ventajas de menor consumo de combustible esperadas. En España hay dos patentes concedidas de motores con un principio similar, una de 1942 a Francisco Jimeno Cataneo (Nº OEPM 0156621) y otra de 1975 a Carlos Ubierna Laciana (Nº OEPM 0433850), en el INTA se construyó un prototipo de motor de aviación con cilindros en estrella y un principio parecido, ideado por el ingeniero J Ortuño García, patentes 0230551 y 0249247 y al que se atribuyó un consumo muy bajo de combustible, está expuesto en el Museo del Aire en Cuatro Vientos, Madrid. El año 2009, la empresa británica ILMOR presentó en una exposición internacional de motores en Stuttgart, un prototipo de motor de 5 tiempos, según una patente concedida en EEUU a Gerhard Schmitz. Para este motor anunciaron un consumo específico de 215 g/kWh, una relación de compresión efectiva de 14'5/1 y un peso inferior en 20 % a los motores convencionales equivalentes.234 Conocido como motor Valeriano
El motor de 2 tiempos es, junto al motor de 4 tiempos, un motor de combustión interna con un ciclo de cuatro fases de admisión, compresión, combustión y escape, como el 4 tiempos, pero realizadas todas ellas en sólo 2 tiempos, es decir, en dos movimientos del pistón.
En un motor 2 tiempos se produce una explosión por cada vuelta de cigüeñalmientras que en un motor 4 tiempos se produce una explosión por cada dos vueltas de cigüeñal, lo que significa que a misma cilindrada se genera mayor potencia, pero también un mayor consumo de combustible.
Los motores 2 tiempos han ido siendo sustituidos por los 4 tiempos dado su carácter más contaminante y en motos sólo lo encontramos hoy día en ciclomotores de motores pequeños y en algunas motos de enduro o motocross. Un motor 2 tiempos es más sencillo y ligero que un 4 tiempos ya que está compuesto por menos piezas, originariamente no utiliza válvulas de admisión y de escape, son más económicos de fabricar y requieren un menor mantenimiento, pero su mayor régimen de giro les provoca sin embargo un mayor desgaste.
La lubricación de un motor 2 tiempos va incluida en la mezcla y junto a la gasolina y el aire se añade aceite, de ahí que al ser quemado sea mucho menos respetuoso con el medio ambiente. Así pues el cárter del cigüeñal está sellado ya que alberga la entrada de la mezcla y las dos caras del pistón entran en acción, la superior para comprimir la mezcla y la inferior para provocar su admisión al cárter. Estos son los pasos de un ciclo 2 tiempos.
Tiempo 1: ADMISIÓN - COMPRESIÓN
En un motor 2 tiempos es el propio pistón el que, con su movimiento, abre la admisión de la mezcla, a la altura del cárter, 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 el tiempo 1 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: COMBUSTIÓN - 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.
Es en ese momento cuando la bujía genera una chispa que incendia la mezclaprovocando 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.
Pero hay más, 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, preparando así el proceso para volver a comenzar de nuevo en el primer tiempo anteriormente descrito.
En un motor 2 tiempos es el propio pistón el que, con su movimiento, abre la admisión de la mezcla, a la altura del cárter, 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 el tiempo 1 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: COMBUSTIÓN - 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.
Es en ese momento cuando la bujía genera una chispa que incendia la mezclaprovocando 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.
Pero hay más, 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, preparando así el proceso para volver a comenzar de nuevo en el primer tiempo anteriormente descrito.
El motor de 2 tiempos es, junto al motor de 4 tiempos, un motor de combustión interna con un ciclo de cuatro fases de admisión, compresión, combustión y escape, como el 4 tiempos, pero realizadas todas ellas en sólo 2 tiempos, es decir, en dos movimientos del pistón.
En un motor 2 tiempos se produce una explosión por cada vuelta de cigüeñalmientras que en un motor 4 tiempos se produce una explosión por cada dos vueltas de cigüeñal, lo que significa que a misma cilindrada se genera mayor potencia, pero también un mayor consumo de combustible.
Los motores 2 tiempos han ido siendo sustituidos por los 4 tiempos dado su carácter más contaminante y en motos sólo lo encontramos hoy día en ciclomotores de motores pequeños y en algunas motos de enduro o motocross. Un motor 2 tiempos es más sencillo y ligero que un 4 tiempos ya que está compuesto por menos piezas, originariamente no utiliza válvulas de admisión y de escape, son más económicos de fabricar y requieren un menor mantenimiento, pero su mayor régimen de giro les provoca sin embargo un mayor desgaste.
La lubricación de un motor 2 tiempos va incluida en la mezcla y junto a la gasolina y el aire se añade aceite, de ahí que al ser quemado sea mucho menos respetuoso con el medio ambiente. Así pues el cárter del cigüeñal está sellado ya que alberga la entrada de la mezcla y las dos caras del pistón entran en acción, la superior para comprimir la mezcla y la inferior para provocar su admisión al cárter. Estos son los pasos de un ciclo 2 tiempos.
Hacia 1879 Nicolaus August Otto diseñó y construyó un motor con doble expansión, concepto propuesto por los ingleses Jonathan Hornblower y Artur Woolf en 1781, antes de que Watt llevase a la práctica la máquina de vapor. La primera expansión se hacía en el cilindro donde se realizó la combustión, y una segunda en otro pistón, este a baja presión, con el objetivo de lograr el aprovechamiento de la energía de los gases de escape; incluso se han construido motores con triple expansión, como el Troy, y el principio se usó en muchos motores marinos. En 1906 la empresa EHV radicada en Connecticut, EEUU, fabricó un motor de combustión interna de tres cilindros y doble expansión que montaron en un automóvil. Al igual que el motor construido por Otto, cuyo comprador lo devolvió, el motor de EHV no demostró en la práctica las ventajas de menor consumo de combustible esperadas. En España hay dos patentes concedidas de motores con un principio similar, una de 1942 a Francisco Jimeno Cataneo (Nº OEPM 0156621) y otra de 1975 a Carlos Ubierna Laciana (Nº OEPM 0433850), en el INTA se construyó un prototipo de motor de aviación con cilindros en estrella y un principio parecido, ideado por el ingeniero J Ortuño García, patentes 0230551 y 0249247 y al que se atribuyó un consumo muy bajo de combustible, está expuesto en el Museo del Aire en Cuatro Vientos, Madrid. El año 2009, la empresa británica ILMOR presentó en una exposición internacional de motores en Stuttgart, un prototipo de motor de 5 tiempos, según una patente concedida en EEUU a Gerhard Schmitz. Para este motor anunciaron un consumo específico de 215 g/kWh, una relación de compresión efectiva de 14'5/1 y un peso inferior en 20 % a los motores convencionales equivalentes.234 Conocido como motor Valeriano
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar solo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas en la culata, lumbreras, orificios (que quedan expuestos al ir subiendo y bajando el pistón). En los motores de dos tiempos, casi siempre lubricados añadiendo aceite a la gasolina, la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través de la lumbrera de admisión cuando el pistón está en la posición más alejada de la culata. El primer tiempo es la compresión-encendido, en la que se inicia la combustión de la carga de mezcla aire/combustible/aceite cuando el pistón avanza hasta el final del ese tiempo (PMS). Después, el pistón se retira en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara. De los dos procedimientos para el 'barrido' dentro de los cilindros de los motores de dos tiempos, proceso por el cual entra la nueva carga y se expulsan al escape los gases procedentes de la combustión de la mezcla de trabajo, se ha demostrado (SAE) que el llamado: 'barrido en lazo' ('Loop scavenging' en inglés) da siempre mejores resultados que el sistema llamado: 'Unidireccional' ('Uniflow scavenging' en inglés).
Motor Otto de 2T refrigerado por aire de una moto: azul aire, verde mezcla aire/combustible, gris gases quemados.
El motor convencional del tipo Otto es un motor de tipo alternativo de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción, la refrigeración y falta de constancia en las condiciones de funcionamiento.
La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25 %: solo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar suministrando diferentes potencias en cada momento. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial, ya que, cuando esto sucede, la cámara de compresión mantiene su volumen, dando una compresión final baja y transformando gran parte de la energía en calor.
Funcionamiento (Figura 1)
1. Tiempo de admisión - El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión.
2. Tiempo de compresión - La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía.
3. Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
4. Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.
También existe una variación del ciclo Otto que mejora la eficiencia del motor al aumentar el tiempo de expansión con respecto al tiempo de compresión conocido como Ciclo Miller.
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