Motores de Combustión Interna: Otto, Diésel y Más

Los motores de cuatro tiempos son motores de combustión interna que completan un ciclo termodinámico en cuatro carreras del pistón, es decir, dos vueltas completas del cigüeñal. Se utilizan tanto en motores Otto (gasolina) como en motores Diésel.

Cada tiempo del ciclo corresponde a un proceso termodinámico específico:

Ciclo de Cuatro Tiempos

1. Tiempo 1: Admisión (Transformación isóbara 0-1)

• El pistón se encuentra en el PMS (punto muerto superior).
• Se abre la válvula de admisión y el pistón desciende hacia el PMI (punto muerto inferior).
• En un motor Otto, entra una mezcla de aire y combustible. Si la mezcla se forma en el carburador, el sistema es de carburación. Si el combustible se inyecta de forma separada mediante inyectores, se trata de un sistema de inyección, que puede ser:
  • Directa: Se inyecta directamente en el cilindro.
  • Indirecta: Se inyecta cerca de la válvula de admisión.
• En un motor Diésel, solo entra aire, ya que el combustible se inyectará después.

2. Tiempo 2: Compresión (Transformación adiabática 1-2)

• Al llegar al PMI, la válvula de admisión se cierra y el pistón comienza a ascender, comprimiendo la mezcla de aire y combustible en el caso del motor Otto, o solo el aire en el caso del motor Diésel.
• Como es un proceso adiabático, no hay transferencia de calor con el exterior, por lo que Q=0.
• Este proceso eleva la presión y temperatura en la cámara de combustión.

3. Tiempo 3: Combustión y Expansión (Transformaciones isócora 2-3 y adiabática 3-4)

• Cuando el pistón se encuentra cerca del PMS, se inicia la combustión:
  • En el motor Otto, una chispa en la bujía inflama la mezcla.
  • En el motor Diésel, el combustible se inyecta a alta presión en la cámara caliente, lo que provoca su autoignición debido a la elevada temperatura del aire comprimido.
• La combustión genera un fuerte aumento de presión, empujando el pistón hacia abajo en su carrera útil (de PMS a PMI).
• En este punto, el motor genera su trabajo útil.

4. Tiempo 4: Escape (Transformaciones isócora 4-1 e isóbara 1-0)

• Al llegar al PMI, se abre la válvula de escape y los gases quemados comienzan a salir.
• El pistón asciende nuevamente al PMS, expulsando los gases residuales hacia el exterior.
• Cuando el pistón llega al PMS, la válvula de escape se cierra, finalizando el ciclo y comenzando un nuevo ciclo de admisión.

Este ciclo de cuatro tiempos es utilizado en la mayoría de los automóviles, motocicletas y maquinaria industrial, debido a su eficiencia y confiabilidad en comparación con los motores de dos tiempos.

Funcionamiento de las Máquinas Térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que transforma energía térmica en energía mecánica o viceversa. Se divide en:

• Máquina térmica motora: Transforma calor en trabajo mecánico (ejemplo: motores Otto, Diésel) a consta de disminuir la E del fluido (Q).
• Máquina térmica generadora: Absorbe trabajo mecánico (W) y lo transforma en energía térmica (Q) (ejemplo: bombas de calor, refrigeradores).

El principio fundamental de su funcionamiento es el intercambio de calor entre un foco caliente y un foco frío, con generación o consumo de trabajo.

Principios de la Termodinámica

Primer Principio de la Termodinámica – Principio de Conservación de Energía:

La variación de energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor aportado y el trabajo realizado por este. ΔU=Ef-Ei=Q-W

Segundo Principio de la Termodinámica:

No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente.

Ciclo de Carnot

Ciclo ideal que establece el rendimiento máximo posible de una máquina térmica operando entre dos focos térmicos. Consiste en:

1. Expansión isotérmica (1-2): El gas se expande absorbiendo calor Q1 a temperatura constante.
2. Expansión adiabática (2-3): El gas se expande sin intercambiar calor con el exterior.
3. Compresión isotérmica (3-4): El gas cede calor Q2 al foco frío.
4. Compresión adiabática (4-1): El gas se comprime sin intercambiar calor.

Su rendimiento térmico: n= 1 – T2/T1 (T1 y T2 son las temperaturas de los focos caliente y frío)

Procesos Termodinámicos

Las máquinas térmicas siguen ciclos (Otto, Diésel, Rankine…) con distintos procesos termodinámicos, que implican algún cambio de estado al variar, al menos, una propiedad del cuerpo. Las más conocidas son:

1. Isotérmico (T constante): Ley de Boyle-Mariotte P•V = cte
2. Isobárico (P constante): Charles y Gay Lussac V/T = cte
3. Isócoro (V constante): 2ª Ley Gay-Lussac P/T = cte
4. Adiabático (sin intercambio de calor entre ambiente y sistema): PV^γ = cte, donde γ = Cp/Cv. (Calores específicos: Cp gas a presión y Cv v cte)

Motor Diésel

Inventado por Rudolf Diésel, es un motor de combustión interna que emplea como combustible principalmente gasoil, aunque también puede utilizar aceites de origen mineral o vegetal. Se basa en el ciclo ideal Diésel y puede ser de cuatro o dos tiempos.

Funcionamiento de cuatro tiempos:

El ciclo Diésel de cuatro tiempos es similar al ciclo Otto, pero con diferencias clave:

1. Admisión: Se introduce solo aire en el cilindro en lugar de una mezcla de aire y combustible.
2. Compresión: Se comprime el aire a una presión mucho mayor que en los motores Otto (relaciones de compresión entre 14:1 y 23:1), lo que aumenta su temperatura significativamente.
3. Combustión y expansión: En este punto, se inyecta el combustible a alta presión en la cámara de combustión. Debido a la elevada temperatura del aire, el combustible se inflama espontáneamente sin necesidad de chispa. Esta combustión ocurre de manera isobárica (a presión constante), lo que expande los gases y genera trabajo útil.
4. Escape: Se abren las válvulas de escape y los gases quemados son expulsados del cilindro.

Al inicio del funcionamiento del motor, se utilizan calentadores para alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del diésel. Sin embargo, una vez que el motor ha estado en marcha por un tiempo, el calor residual en las paredes de la cámara de combustión es suficiente para mantener la ignición del combustible sin necesidad de los calentadores.

Características del motor Diésel

• Mayor eficiencia térmica que el motor Otto, con rendimientos entre 40% y 45%.
• No requiere chispa para la ignición, ya que el encendido es por compresión.
• Utiliza combustibles más densos y energéticamente eficientes.
• Mayor relación de compresión, lo que permite un mejor aprovechamiento del combustible.

Gracias a su mayor eficiencia y consumo reducido, los motores Diésel se utilizan ampliamente en vehículos pesados, maquinaria industrial y generación de energía.

Motor de dos tiempos:

El ciclo se realiza por dos carreras del pistón (una vuelta del cigüeñal). No dispone de válvulas de admisión ni de escape sino de lumbreras, que las abre y cierra el propio pistón en su movimiento de vaivén. Existe otra lumbrera de comunicación del cárter con la cámara de combustión, para el trasvase de la mezcla combustible. Los tiempos son:

• Tiempo 1 de Admisión-Compresión: el pistón sube, comprimiendo la mezcla en la cámara de combustión, mientras una nueva mezcla, entra al cárter a través de la lumbrera.
• Tiempo 2 de Explosión-Escape: la combustión impulsa el pistón hacia abajo, expulsando los gases quemados por la lumbrera de escape y permitiendo la entrada de mezcla fresca al cilindro.

Motor Stirling:

Es un motor de combustión externa que sigue un ciclo homónimo o ciclo Stirling. Es el motor térmico que más se aproxima al rendimiento teórico de Carnot y concebido para rivalizar con la máquina de vapor. El ciclo Stirling ideal se compone de cuatro procesos termodinámicos: una compresión isotérmica 1-2, absorción de calor isócora 2-3, expansión isotérmica 3-4 y cesión de calor isócora 4-1.

Motor Wankel:

Es un motor de combustión interna que utiliza rotores en lugar de los pistones de los motores alternativos. Son especialmente interesantes para funcionar de forma suave y silenciosa, y con escasas averías, gracias a su simplicidad, pero consumen mucho aceite.

Máquina de vapor:

Desempeñaron un papel clave en el desarrollo tecnológico que sobrevino en la Revolución Industrial.

Es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica del vapor en energía mecánica.

El funcionamiento básico de la máquina de vapor de ciclo abierto es el siguiente: en una caldera se genera vapor al quemar combustible y calentar el agua. La energía del vapor mueve el émbolo de doble efecto que, mediante el mecanismo biela-manivela, mueve la rueda. La rueda gira con el distribuidor, que es movido y permite el paso del vapor a uno y otro lado del pistón (doble efecto), así como la salida del vapor hacia el exterior. El rendimiento de estas máquinas es del orden del 30%, por las pérdidas en el escape.

Debido a su bajo rendimiento, las máquinas evolucionaron hacia las de ciclo cerrado, empleando el ciclo simple de Rankine, incluyendo un condensador de recuperación del vapor condensado.

Turbina de gas:

Motor de flujo continuo que transforma la energía de un gas en energía mecánica.

Puede ser:

• De ciclo abierto: Toma aire del exterior, lo calienta y expulsa gases.(comb int)
• De ciclo cerrado: Usa un fluido de trabajo en un circuito cerrado.(comb ext)