MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE III)

Hola a todos

Comienzo esta nueva entrega de motores de combustión interna haciendo un inciso sobre el anterior artículo. En dicho artículo os expliqué, entre otras cosas, el principio teórico de funcionamiento de un motor de gasolina de combustión interna. Hasta ahí todo correcto, pero no os conté (error mio por no considerarlo importante) que hay motores llamados de 2 tiempos. Os hago una breve explicación de como funciona un motor de combustión interna de 2 tiempos y ya pasamos después a explicar el motor diésel de combustión interna de 4 tiempos.
El motor de 2 tiempos se diferencia principalmente del de 4 tiempos en que sólo necesita 2 carreras de pistón (sólo una subida y bajada) para dar trabajo, es decir que los tiempos se agrupan en admisión-compresión y explosión-escape. Con unos ejemplos gráficos lo observaremos mejor:

Observamos el ciclo de trabajo teórico de un motor de 2 tiempos. Como podeis comprobar, la admisión-compresión-explosión-escape se realizan en sólo 2 carreras de pistón, por las 4 que necesita un motor de 4 tiempos, como veis a continuación:

Debido a esta diferencia fundamental, el motor de 2 tiempos debería de dar el doble de potencia que el de 4 tiempos a igualdad de cilindrada. Esto es la teoría, porque la práctica nos demuestra que esa cifra es mucho menor debido a que el barrido de los gases de escape es peor al tener que realizar su expulsión mientras se realiza la admisión de nueva mezcla. Por cierto, en los motores de 2T la mezcla de aire-combustible lleva además el aceite de lubricación añadido. Debido a esto, son motores que contaminan mucho más y que además desperdician mucha mezcla al no quemarse bien. Esto es sólo lo básico, y no voy por ahora a centrarme en ellos, sólo quería que supierais que existen (sobre todo en ciclomotores y máquinas diésel muy grandes). Si alguien está interesado en conocer más, estaré encantado de realizar un artículo dedicado sólo a los motores de 2T.

Bien, dicho lo anterior, nos metemos ya en faena con los motores diésel de combustión interna de 4 tiempos. Al igual que hice en el anterior artículo, os haré un breve resumen histórico. Muchos lo sabréis, pero os recuerdo que el nombre del motor viene dado gracias a su inventor, el ingeniero alemán Rudolph Christian Karl Diesel. Cuando en 1880 comenzó a trabajar (terminados sus estudios de ingenieria) para la empresa de su tutor Carl Von Linde en Paris, su primera preocupación fué obtener un motor de combustión interna cuyo rendimiento fuera lo más cercano al ciclo de Carnot. Probablemente me direis, ¿qué es el ciclo de Carnot? Bien, en termodinámica se define el ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto o ideal, componiéndose de dos transformaciones isotérmicas (a temperatura constante) y dos adiabáticas (la transferencia de calor Q=0). Unos gráficos para aclarar:

Este gráfico representa el ciclo de trabajo de una hipotética máquina térmica que realiza el ciclo de carnot. Como observareis, en los dos procesos adiabáticos pone que Q=0. No significa que el calor sea 0 (energía interna del gas) sino que no hay transferencia de calor, como por ejemplo en un termo de café (teóricamente no). 

Y esta es nuestra gráfica P-V (Presión frente al volumen) de nuestro ciclo de carnot. Las líneas roja y azul son los procesos isotermos, aquí si hay adición o entrega de calor (aumento o disminución de energía interna). Os pongo todo esto para que ahora lo comparemos con el ciclo Otto, creo que notareis la diferencia:

Ahora quiero que os fijeis sólo en el ciclo A-B-C-D, obviamos el A-E y suponemos cíclico. Comparad con carnot y pensad en que diferencias veis, son varias pero sobre todo hay una fundamental. Como observareis muchos tenemos las dos líneas adiabáticas, como en carnot pero nos faltan las dos isotermas, que en carnot si tenemos. Tanto la combustión como el escape no son a temperatura constante, con la consiguiente perdida de energía interna (calor) y, por consiguiente rendimiento, además de que el volumen es constante, y en Carnot no. 
Bien, Rudolph Diesel se fijó en esto y decidió diseñar y construir un motor que se asemejara lo más posible al ciclo de carnot, porque unas de las condiciones de este ciclo ideal es que ninguna máquina térmica real tendrá el mismo rendimiento, siempre será menor.
En 1892 diseñó y construyó el primer módelo de motor con el que intentó acercarse al ciclo de carnot. En 1897 presentó, después de muchos intentos, un motor de 4 tiempos con 25 CV de potencia. Para la época aquello era sorprendente, y la alta eficiencia y su sencilla construcción le hicieron un éxito comercial.
Hasta aquí la introducción histórica (no tan breve ya lo se). Ahora a continuación os explico el funcionamiento teórico, o como llegó a superar en rendimiento térmico al motor de combustión interna de 4 tiempos de Otto. Primero el gráfico del ciclo teórico Diésel:

Si os fijais bien, el ciclo es muy parecido al Otto (casi idéntico), sólo que nuestra etapa B-C (la combustión) se produce por ignición (no hay chispa, al contrario que en el Otto) y esto desemboca en que la presión se mantenga constante (en el ciclo Otto es el volumen). A primera vista parece una diferencia pequeña, pero en realidad esto supone una gran ventaja del ciclo Diésel frente al Otto en términos de rendimiento térmico a igualdad de relación de compresión. Aumenta, teóricamente, nuestro volumen y en la fase de expansión nuestra línea será más vertical, significando un mayor trabajo mecánico aplicado al pistón en su descenso. Como sabeis, el rendimiento real varia debido a rozamientos, a que las válvulas no abren cuando el pistón está en sus P.M.S. o P.M.I. y a la refrigeración del motor que hace que los procesos A-B y C-D no sean adiabáticos. Para que repaseis un poco os remito al anterior artículo y estudies el ciclo teórico de Otto:

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA (PARTE II) 

El ciclo real Diésel lo podeis ver en la gráfica a continuación:

Pero vuelvo a incidir en la diferencia entre Otto y Diésel, la carrera de expansión está representada con una curva con mayor pendiente en Diésel que en Otto, significando esto un mayor trabajo mecánico y, por consiguiente, mayor rendimiento del ciclo.

Sección de un motor diésel sobrealimentado por turbocompresor. En posteriores artículos indagaré más en la construcción de motores y funcionamiento particular, pero por ahora vamos afianzando conocimientos. Observamos que a diferencia de un motor de gasolina, el diésel carece de bujia, por lo demás el mecanismo es igual que el de un gasolina. En la figura observareis una cadena conectada a un plato solidario al cigueñal y a unos piñones situados en el cárter (zona donde se haya el aceite lubricante del motor). Esa cadena es la que impulsa la bomba de aceite que envía el fluido de engrase a todos los órganos móviles del motor.

Esta animación correponde con el ciclo diésel, que como veis inyecta combustible directamente en la cámara tras comprimir el aire. No se necesita la bujía debido a la alta compresión del motor y a las características del combustible diésel. Debido a esta diferencia con el motor Otto, el Diésel consume aproximadamente un 25% - 30% menos de combustible que un Otto a igualdad de cilindrada. Esta es la principal ventaja del motor Diésel frente al Otto.

Y hasta aquí el artículo de hoy, no sin antes recordaros que aún quedan unos cuántos artículos más sobre motores, pero primero preferia afianzar los conocimientos teóricos y saber porqué unos motores tienen más rendimiento térmico que otros, y como son sus ciclos de funcionamiento. 

Me despido de vosotros ya hasta la semana que viene, donde empezaré a explicar como se introduce el combustible en el motor y que son los combustibles (sistema de alimentación del motor).


A continuación, la bibliografía consultada:

- http://rogelio-intel.blogspot.com.es/
- http://www.demotor.net/ciclos_reales/diferencia_entre_los_ciclos_otto_real_y_teorico.html
- http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Diesel
- http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot
- http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
- http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_dos_tiempos
- http://html.rincondelvago.com/motores-de-dos-tiempo_gasolina-y-diesel.html
- http://www.biografiasyvidas.com/biografia/d/diesel.htm
- http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_di%C3%A9sel