Motor de combustión interna

En 1853 comenzó a circular por Europa información del proyecto en el que venían trabajando dos investigadores italianos, el padre Eugenio Barsanti y el ingeniero hidráulico y mecánico Felice Matteucci. Ambos estaban desarrollando el primer prototipo de motor que iba a dejar en la historia a las máquinas de vapor: el motor de combustión interna.

La diferencia con su antecesor de vapor está en que la combustión, justamente como su nombre lo indica, se produce dentro de la máquina. Estos motores, conocidos también como a explosión o a pistón, obtienen la energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión dispuesta en el interior de la máquina.

Pero aquellos pioneros italianos mencionados al comienzo de la nota, llegaron a un prototipo que carecía de la fase de compresión. Debido a esto, la fase de succión terminaba prematuramente, cerrándose la válvula de admisión antes de que el pistón llegase a la mitad, lo que provocaba que la chispa que generaba la combustión que empuja la carrera del pistón fuese débil. Esto constituía una deficiencia que necesitó de trabajo e ingenio para poder superarla, lo que se logró con la fase de compresión. De esta manera se llegó a una eficacia en el motor de combustión interna que relegó definitivamente a los motores de vapor, dando un impulso entre otras cosas, al desarrollo del automóvil, gracias a la potencia que logra en dimensiones mucho menores.

Pero las primeras aplicaciones de los nuevos motores se hicieron en los llamados “fuera de borda” ya que, para entonces, los motores de combustión interna no eran aplicables a vehículos terrestres porque no podían comenzar desde parado; en cambio los motores marinos, con sus hélices libres en un momento de inercia, no padecen este problema.

Finalmente, quien completó el desarrollo del motor de combustión interna hasta el punto en que lo conocemos hoy fue el alemán Nikolaus Otto, quien en 1886 logró patentar un motor de combustión interna de cuatro tiempos, profundizando el modelo de su antecesor, Alphonse Beau de Rochas, inventor francés que en 1862 había presentado su modelo basado en el prototipo de los italianos Barsanti y Matteucci.

TIPOS DE MOTOR

Los tipos de motor de combustión interna son:

• Alternativo

o Motor naftero.

o Motor diesel.

• Turbina de gas.


Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración.

• Motor rotativo.

Motores alternativos

Popularmente se los identifica por el tipo de combustible que utilizan.

Se los conoce popularmente como motores de explosión o nafteros y motores diesel. En ellos los gases que resultan del proceso de combustión empujan un pistón al que desplazan en el interior de un cilindro haciendo girar un cigüeñal para obtener así el movimiento de rotación.

En los nafteros, conocidos así por el combustible con el que funcionan, el encendido se produce por chispa. El combustible vaporizado y mezclado con aire entra en ignición por medio de una chispa eléctrica; los gases se expanden por el calor de la combustión y fuerzan el movimiento del pistón o del rotor. Si bien lo más común es que funcionen con gasolina, también pueden hacerlo con gases licuados a presión.

En los llamados motores diesel o de encendido por compresión, también se utiliza el calor de un proceso de combustión para impulsar el pistón, pero no se necesita chispa, sino que el combustible, vaporizado, se inyecta y entra en contacto con aire calentado hasta una temperatura suficiente para que aquél arda por sí mismo. Estos motores utilizan aceites pesados (gasoil) en vez de gasolina.

Características generales de los motores alternativos

Los motores alternativos son impulsados por una fuerza a la que se llama explosión, sin embargo no lo es en términos estrictos. Los combustibles que utilizan se encienden con rapidez pero se queman con lentitud, lo que permite que el pistón vaya impulsado en su cilindro sin daño, ya que una verdadera explosión lo destruiría.

La mayoría de los motores de combustión interna que se colocan en automóviles son de movimiento alternativo. El vaivén de los pistones se convierte, cigüeñal mediante, en movimiento rotatorio.

Estos motores de movimiento alternativo se presentan a su vez en dos tipos, los de dos tiempos y los de cuatro tiempos.

Dos tiempos: realizan una carrera útil de trabajo en cada giro, o sea, el pistón recibe fuerza impulsora una vez por cada revolución del cigüeñal (o cada dos golpes del pistón).

Cuatro tiempos: efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros, o sea, la fuerza actúa una vez cada dos revoluciones de cigüeñal (o cuatro golpes del pistón).

Estas versiones de dos y cuatro tiempos existen tanto en motores diesel como nafteros.

Aplicaciones

Las variantes presentadas tanto en diesel como en nafteros tienen sus ámbitos de aplicación.

Diesel

Dos tiempos: domina en las aplicaciones navales de gran potencia, hasta 100000 CV hoy día, y en tracción ferroviaria. En un tiempo se usó en aviación con cierto éxito.

Cuatro tiempos: domina en el transporte terrestre, automóviles y aplicaciones navales hasta una cierta potencia. Empieza a aparecer en la aviación deportiva.

Nafteros

Dos tiempos: fue muy aplicado en motocicletas, motores ultraligeros y motores marinos fuera de borda hasta cierta cilindrada, pero en este ámbito fueron cayendo en desuso por las normas anticontaminación. Siguen siendo muy utilizados en ciclomotores de 50 cc y en motosierras y pequeños grupos electrógenos.

Cuatro tiempos: domina en las aplicaciones en motocicletas de todas las cilindradas, automóviles, aviación deportiva y fuera borda.

COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO

Los motores alternativos, sean nafteros o diesel, tienen los mismos componentes principales: bloque, cigüeñal, biela, pistón, culata, válvulas, además de los específicos de cada uno como la bomba inyectora en los diesel y el carburador en los viejos modelos de nafteros.

Cámara de combustión

Consiste en un cilindro, por lo general fijo, cerrado en uno de sus extremos y dentro del cual se desliza un pistón sumamente ajustado. 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 se une por medio de una biela al cigüeñal, que es el encargado de convertir en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón.

Cuando se trata de motores de varios cilindros el cigüeñal tiene una posición de partida a la que se denomina espiga, que va conectada a cada eje, de manera 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.

Sistema de alimentación

Actualmente la dosificación del combustible se lleva a cabo mediante el sistema de inyección que sustituye al hoy antiguo carburador.

Los motores Otto se alimentan mediante un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que dosifica el combustible vaporizándolo en las proporciones correctas para ser quemado. Durante años el dispositivo del que se habla fue el carburador, pero en la actualidad ha sido sustituido por los sistemas de inyección de combustible, lo que favorece el medioambiente ya que su mayor precisión en la cantidad de combustible inyectado reduce las emisiones de CO₂, asegurando además una mezcla más estable.

En los motores diesel se dosifica el gasoil de manera no proporcional al aire que entra, sino en función del mando de aceleración y el régimen motor (mecanismo de regulación) mediante una bomba inyectora de combustible. Cuando se trata de motores de varios cilindros, el combustible vaporizado se lleva a los cilindros a través de un tubo ramificado denominado colector de admisión. La mayoría de los motores tienen un colector de escape o de expulsión que es el encargado de transportar fuera del vehículo los gases y ruidos que se producen en la combustión.

Sistema de distribución

A través de las válvulas de cabezal o válvulas deslizantes cada cilindro toma el combustible expulsando los gases. Mediante un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que en el momento adecuado éstas se abren, es cuando entran en acción las levas de un árbol de levas rotatorio que es movido mediante el cigüeñal, con el conjunto coordinado por la cadena o correa de distribución.

Encendido

Los motores Otto para iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro, cuentan con un sistema compuesto por una bobina de encendido y un auto-transformador de alto voltaje que se conecta a un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca un impulso de alto voltaje en el secundario. Este impulso va sincronizado con la etapa de compresión de cada uno de los cilindros; de esta manera, el impulso se lleva al cilindro correspondiente (el que está comprimido en ese momento), utilizando un distribuidor rotativo y unos cables de grafito que dirigen la descarga de alto voltaje de la bujía. El dispositivo que produce la ignición es la bujía que, fijada en cada cilindro, dispone de dos electrodos separados unas décimas de milímetro entre los cuales el impulso eléctrico produce una chispa, que inflama el combustible. Cuando la bobina se encuentra deteriorada se sobrecalienta, lo que produce pérdida de energía, disminuye la chispa de las bujías y provoca fallas en el encendido del motor.

Refrigeración

Debido al calor que produce la combustión, los motores son equipados con un sistema de refrigeración. En algunos casos estos sistemas funcionan con aire, cuando es así los cilindros de estos motores tienen en el exterior un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En los casos en los que la refrigeración es por agua los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante el uso de una bomba. La refrigeración del agua se produce al pasar por las láminas del radiador. Como los motores trabajan con temperaturas por sobre la temperatura de ebullición del agua, se utilizan refrigerantes que no se congelan y cuyo punto de ebullición está por encima del punto de ebullición del agua. Además estos líquidos refrigerantes no producen sarro ni sedimentos que puedan adherirse a las paredes del motor o del radiador, provocando una capa aislante que disminuye la capacidad de enfriamiento del sistema.

MOTOR ROTATIVO

Es un diseño desarrollado por el ingeniero alemán Félix Wankel en la década de 1950. Este motor de combustión interna utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro. Al ser compacto y ligero en comparación con los alternativos, fue muy demandado durante la crisis de petróleo de las décadas de 1970 y 1980. Es sencillo y sin vibraciones, no requiere mucha refrigeración y da seguridad en la conducción. Pero ha tenido problemas de durabilidad por lo que no ha llegado a imponerse.