MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE II)

Hola a todos 

Hace poco publiqué el inicio de lo que considero será una buena serie de artículos, referidos a los motores en automoción. Como ya sabéis del anterior artículo, un motor es toda máquina que transforma energía en trabajo mecánico. Pero como os expliqué anteriormente, en automoción se utilizan generalmente los llamados motores de combustión interna. Bien, en este artículo empezaremos con la teoría sobre motores de gasolina, pero antes de explicar su funcionamiento teórico os haré una breve introducción histórica al motor de gasolina de 4 tiempos.

Nos remontaremos al 30 de diciembre de 1857, el sacerdote esculapio Eugenio Barsanti y el ingeniero hidráulico y mecánico Felice Matteuci patentan el primer motor de combustión interna a gas (mezcla de aire e hidrógeno).

Por otro lado, el ingeniero francés Alphonse Beau de Rochas patentó en 1862 el ciclo regulador del proceso que transforma en trabajo mecánico el calor generado por la inflamación de una mezcla carburada aire-gasolina en cámara cerrada. Gracias a el trabajo de Beau de Rochas, el ingeniero belga Jean Joseph Ettiene Lenoir construye y patenta primeramente el motor de combustión interna de 2 tiempos, luego el de 4 tiempos. El invento de Lenoir tenía un rendimiento muy pobre y era demasiado pesado, así que decidió abandonar su desarrollo. El testigo lo recogió el ingeniero alemán Nicolaus Otto que inventó en 1872 el precursor de los motores a gasolina actuales. Perfeccionó el ciclo regulador descubierto por Beau de Rochas y desde entonces se conoce como Ciclo Otto. Lo patentó años más tarde, en 1884:

Este fué el primer diseño de Otto para su motor de combustión interna, y el precursor de los motores actuales.

Bueno después de esta introducción, he llegado al punto de partida del motor de combustión interna de gasolina. Empezaremos por el funcionamiento teórico, o el llamado Ciclo teórico Otto. Os pongo unos gráficos para explicarlo mejor:

Este es el ciclo teórico, o ideal, y considerado cerrado porque el volumen que sale es reemplazado por el que entra (digamos que podriamos considerarlo así teóricamente). La gráfica compara el volumen con la presión (gráfico P-V que se llama en ingenieria térmodinámica). 

• Puntos E: Nuestro punto de partida del ciclo. Aquí la válvula de admisión está abierta y la de escape cerrada, y el pistón bajando por lo que aspiramos el volumen de aire o mezcla aire-combustible (dependiendo si la mezcla se hace fuera o dentro de la cámara), por consiguiente aumenta el volumen sin aumentar la presión.
• Punto A: La válvula de admisión se cierra, nuestro pistón está en el punto más bajo. Observamos que el volumen es mayor y llega a su máximo, de ahí que el pistón esté totalmente abajo, en su P.M.I. (Punto Muerto Inferior).
• Punto B: Se produce la compresión adiabática. En termodinámica un proceso adiabático es aquel que se produce sin transferencia de calor, Q=0, esto es que ni hay adición ni perdida de energía calorífica. El pistón sube hasta su P.M.S (Punto Muerto Superior o punto más alto) y la cámara queda reducida a un mínimo, de ahí que ahora haya menos volumen y la presión haya aumentado.
• Punto C: Se produce la combustión por explosión de la mezcla aire-gasolina debido a la chispa de la bujía. Observad que es a volumen constante, esto es teoría porque ya veremos que en la práctica esto no ocurre así. La presión aumenta hasta alcanzar su máximo. Esta presión es la que nos generará el trabajo mecánico como veremos a continuación.
• Punto D: Se produce el empuje de la mezcla combustionada, es decir un proceso de expansión adiabática. El pistón baja hasta su P.M.I. (Punto Muerto Inferior), aumenta el volumen y la presión va disminuyendo porque se transforma en empuje, en trabajo mecánico.
• Punto A: Volvemos al punto A y ha disminuido aún más la presión, a continuación se abrirá la válvula de escape para dejar salir los gases, regresando al punto E.

Y la representación del ciclo en un gráfico con el motor funcionando:

En esta animación sustituid 1 por el recorrido de los puntos E-A, 2 por A-B, 3 por B-C-D y 4 D-A-E. Repito que esto es el ciclo teórico, ahora veremos que realmente esto no es así, pero es necesario conocer el ciclo teórico para comprender porqué es un ciclo idealizado (aunque el error cometido es pequeño). Como podreis comprobar también, el ciclo completo se compone de 2 subidas y 2 bajadas de pistón, de ahí lo de motor de 4 tiempos.
El ciclo Otto real sería el siguiente:

Como se observa a simple vista, las válvulas de admisión y escape no abren justo en el momento en que el pistón llega a sus P.M.I o P.M.S., sino que hay cierto retraso en la apertura y es debido a que las válvulas no abren y cierran instantaneamente, sino que necesitan un lapso de tiempo (en la figura P.M.S. es TDC y P.M.I. es BDC), además la compresión y expansión no pueden ser adiabáticas porque necesariamente el proceso tendría que ser sin transferencia de calor (los motores térmicos tienen sistema de refrigeración para no "quemarlos", luego hay transferencia de calor). Otra diferencia entre el ciclo teórico y el real es que el ciclo teórico no tiene en cuenta la fricción entre émbolo (o pistón) y cilindro, cuando en realidad se usan lubricantes para minimizarla pero no la anulan. Por todo ello el ciclo real se calcula que obtiene un rendimiento en torno al 25% o 30%, derivado de todo lo anterior. Unos últimos gráficos para comprenderlo mejor:

Observad como las válvulas abren un poquito antes de los puntos muertos del pistón. Y como la bujía produce la chispa también cuando el pistón aún no ha alcanzado el P.M.S.

Esquema de un motor de 4 cilíndros en línea, observamos el funcionamiento de todos juntos.
Hasta aquí el funcionamiento del motor de 4 tiempos gasolina, ciclo Otto. Pero en el anterior artículo os hablé de un motor distinto, también de gasolina. Si recordais, se llama motor rotativo o Wankel (en honor a su inventor, el ingeniero alemán Félix Wankel). Bueno, su ciclo teórico es prácticamente el mismo que el Otto, sólo que aquí no hay pistones que compriman la mezcla, sino un rotor que gira y forma cámaras distintas para realizar los mismos procesos anteriormente explicados. Un gráfico para aclararlo:

La gran diferencia entre un motor Wankel y un Otto está en la cantidad de partes móviles que contiene cada uno. A favor del Wankel está que el trabajo mecánico repercute directamente sobre el eje de transimisión (el cigüeñal) frente a un Otto que necesita más piezas para convertir el movimiento alternativo en rotativo. También el Wankel es menos estanco que el Otto, posee más fugas y aunque su potencia específica es mucho mayor (recordar el caso de Mazda y su RX8 con 280 CV con sólo 1300 cc, y sin turbos). El motor Wankel además es más caro de producir y desarrollar, y debido a los problemas de estanqueidad y emisiones (no se adapta a las normas Euro 5 ni Euro 6) se ha dejado de producir en gran serie hace poco tiempo. Los siguientes gráficos y fotos referidos al motor Wankel:

Otro esquema del ciclo Wankel, como veis el objetivo es el mismo, pero la forma de conseguirlo no exactamente igual que en el Otto.

Mazda ha sido el fabricante que más fiel ha sido al uso del motor rotativo (también Citröen hizo sus pinitos), aquí el Mazda Cosmo Sport de los años 1967-1972 y su rótor Wankel.

 

Las fotos corresponden al Mazda RX8 y su motor Wankel de aprox. 1300 cc aspirado (sin sobrealimentación, ni turbo ni compresor volumétrico, en el RX7 si se hizo sobrealimentado por turbo). Este motor Wankel (de los últimos desarrollados) se compone de dos rotores distintos, de ahí que la cilindrada sean aprox. 1300 (654cc x 2), y ofrecia una potencia de aprox. 280 CV a unas 8000 rpm. 

Pues por ahora creo que es suficiente para conocer el ciclo teórico y práctico de los motores de combustión interna de gasolina de 4 tiempos. Para el próximo os enseñaré los ciclos teórico y práctico del motor diésel de 4 tiempos, y vereis el porque de la diferencia de rendimiento y consumo con el gasolina.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://es.needforspeed.wikia.com/wiki/Mazda_RX-8
- http://nipponpower.com.mx/foro/showthread.php?131586-Se-ha-producido-el-%FAltimo-motor-wankel-para-automovil
- http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto
- http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n_interna
- http://es.scribd.com/doc/23309698/4/Barsanti-y-Matteucci-Italia