Este documento explora los diferentes tipos de motores, sus principios de funcionamiento, componentes clave y ciclos termodinámicos asociados, tanto en combustión interna como externa, así como otros dispositivos relacionados con la conversión de energía.
Motores de Combustión Interna
En los motores de combustión interna, la combustión se produce en una cámara interna del propio motor. Son los gases generados, que con su expansión, causan el movimiento del motor. Se caracterizan por ser:
- Ligeros y de menores dimensiones.
- Poseen alta resistencia térmica.
- Su rendimiento oscila entre el 25% y el 30%.
Motores Alternativos
Motor de Explosión (Ciclo de Otto)
En este tipo de motor, se comprime la mezcla de aire y gasolina. La ignición es provocada por una chispa eléctrica. Son más ligeros y económicos, siendo comunes en automóviles, motocicletas y avionetas.
Motor Diésel
Aquí, solo se comprime el aire y, tras la compresión, se introduce el combustible. El autoencendido se produce por la alta presión. Son ideales para aplicaciones que requieren altas potencias y bajo consumo, como automóviles, barcos y maquinaria agrícola.
Los rendimientos de estos motores suelen ser bajos porque la combustión no suele ser completa, produciendo monóxido de carbono (CO), y porque la compresión y la expansión no son adiabáticas. Los motores de gasolina tienen un rendimiento menor que los diésel.
Motores de 4 Tiempos y 2 Tiempos
- Motores de 4 tiempos: Necesitan cuatro carreras del émbolo para completar un ciclo.
- Motores de 2 tiempos: Necesitan dos carreras del émbolo.
El motor de 2 tiempos tiene como ventajas que duplica las carreras de trabajo y su sencillez. Como inconvenientes, presenta un menor rendimiento mecánico y un mayor desgaste.
Motores Rotativos
Turbina de Gas de Ciclo Abierto (Ciclo Brayton o Joule)
Utilizadas principalmente en la propulsión de aviones, como turborreactores, turbopropulsores y estatorreactores.
Motor Wankel
Sus ventajas incluyen la sencillez, suavidad de marcha, ser silencioso y ligero. Sin embargo, sus inconvenientes son el alto consumo y las elevadas emisiones. Se ha utilizado en automóviles, motocicletas y aviación.
Motores de Combustión Externa
Motores Alternativos
Máquina de Vapor (Ciclo Rankine)
En este sistema, el vapor sobrecalentado actúa sobre un cilindro para generar movimiento.
Motores Rotativos
Turbina de Gas de Ciclo Cerrado (Ciclo Rankine)
El vapor de agua actúa sobre las paletas de una rueda, haciéndola girar a unas 10.000 rpm.
Consumidores de Energía Mecánica
Máquina Frigorífica (Ciclo de Carnot)
Su objetivo es extraer la máxima cantidad de calor posible (QF) del foco frío con el fin de mantenerlo a una temperatura (T2) inferior a la temperatura (T1) del medio ambiente.
Bomba de Calor (Ciclo de Carnot)
Utiliza el mismo dispositivo que la máquina frigorífica, pero con la intención de ceder la máxima cantidad de calor posible (QC) a un sistema que actúa como foco caliente, a la temperatura (T1), absorbiendo calor del ambiente que se encuentra a una temperatura inferior (T2).
Motores de Explosión: Partes y Ciclos Detallados
Partes de un Motor de 4 Tiempos
- Inyector: Dispositivo mecánico o eléctrico que se encarga de inyectar la gasolina en el cilindro o en el conducto de admisión.
- Cilindro: Cuerpo de bomba que contiene el émbolo, dos válvulas (admisión y escape) y la bujía. En él se realiza la explosión de la mezcla carburante, originándose un movimiento alternativo del pistón.
- Válvulas: Tienen la misión de permitir la entrada de la mezcla de combustible y la salida de los gases de combustión. Están situadas en la culata, sobre el cilindro, y se mantienen en su posición de cierre mediante un muelle, abriéndose hacia el interior del cilindro por medio de una leva.
- Árbol de Levas: Las levas se sitúan en el árbol de levas, sincronizado con el cigüeñal, de forma que la apertura y el cierre de las válvulas se produzcan en el momento adecuado.
- Bujía: Su misión es producir una chispa que explosione la mezcla comprimida.
Órganos Transformadores del Movimiento
La biela-manivela y el cigüeñal transforman el movimiento alternativo del pistón en movimiento circular. La biela, a través de la manivela, transmite el esfuerzo del pistón al cigüeñal y este, a su vez, transmite la potencia al motor. Todo esto suele encerrarse en el bastidor-cárter.
Ciclo de Otto (Motor de 4 Tiempos)
Se supone efectuado por un gas perfecto y consta de dos procesos adiabáticos y dos isocoros.
- Primer tiempo: Admisión (0-1): Baja el pistón, se abre la válvula de admisión y entra por aspiración la mezcla carburante de combustible y aire en el cilindro.
- Segundo tiempo: Compresión (1-2): Sube el pistón, se cierran las válvulas y se comprime adiabáticamente la mezcla carburante.
- Tercer tiempo: Explosión-Expansión (2-3 y 3-4): Al alcanzar la mezcla la máxima compresión (pistón en la parte más alta), salta la chispa en la bujía, explota la mezcla carburante y lanza el pistón hacia abajo. Las válvulas continúan cerradas.
- Cuarto tiempo: Escape (4-1 y 1-0): Se abre la válvula de escape y el pistón, al subir, expulsa los gases quemados procedentes de la explosión de la mezcla.
Motores de Explosión de 2 Tiempos
Estos motores carecen de válvulas y levas. La admisión y salida de gases se realiza a través de las lumbreras, que son unos orificios situados en la pared del cilindro y que son cerrados y descubiertos por el propio pistón a lo largo de su recorrido. El cárter se encuentra herméticamente cerrado y se comunica con el cilindro a través de la llamada lumbrera de transferencia.
- Primer tiempo: Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior, se produce la inflamación de la mezcla. Los gases de la combustión se expanden hasta que el movimiento del pistón deja al descubierto la lumbrera de escape, por donde salen al exterior a causa de la presión.
- Segundo tiempo: El pistón comienza su movimiento de ascenso desde el punto muerto inferior, completando el barrido y la admisión, hasta que llega un momento en que cierra las lumbreras de admisión y de escape, comenzando la compresión del gas, que se completa cuando el pistón alcanza el punto muerto superior, instante en que se quema el combustible. La lumbrera de admisión queda abierta y a través de ella penetra fluido en el cilindro.
Motores Diésel
El rendimiento del Ciclo de Otto viene limitado por la relación de compresión a la cual se produce la autoignición. Sin embargo, si se comprime solamente aire y, tras la compresión, se introduce un combustible adecuado, se pueden conseguir rendimientos mayores. En estos motores no existe carburador ni tampoco sistema de encendido.
Se alcanzan presiones de 40-50 atm y temperaturas de 600 ºC. En este punto, se introduce gasóleo en el cilindro a elevada presión (70 atm) mediante un inyector, con lo que la mezcla se inflama a presión constante.
Sobrealimentación
La sobrealimentación es un sistema para incrementar la potencia de los motores de combustión interna que consiste en aumentar la cantidad de mezcla combustible admitida en el cilindro. Esto se logra aumentando la presión del aire o de la mezcla combustible a la entrada del cilindro.
Para ello, se intercala en el circuito de entrada un compresor, accionado por una turbina movida por los gases de escape (turbocompresor). Como los gases se calientan a la salida del compresor, y este aumento de temperatura no resulta conveniente para incrementar la potencia, se suele instalar a la salida del compresor un intercambiador de calor, que enfría los gases antes de que penetren en el motor (conocido como Turbo Intercooler).
Turbina de Combustión: Ciclo de Brayton
Las turbinas de combustión constan de un compresor, una cámara de combustión y una turbina. El aire es aspirado y comprimido en el compresor, pasando a continuación a la cámara de combustión en la que se inyecta el combustible, produciéndose su autoignición a causa de la gran temperatura.
Los gases calientes se expanden contra los álabes de la turbina, produciendo trabajo útil y, además, el necesario para mover el compresor. Tras cumplir su misión, los gases salen a la atmósfera a través del escape.