Motor de combustión interna

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Un motor de combustión interna (MCI) es un motor térmico que genera energía mecánica a partir de la combustión de un combustible (como gasolina o diésel) y un comburente (generalmente aire) dentro de una cámara de combustión. A diferencia de los motores de combustión externa, en los MCI la combustión ocurre directamente en el interior del motor.

La energía liberada durante la combustión aumenta la presión y temperatura de los gases, los cuales expanden y ejercen una fuerza sobre componentes móviles como:

  • Pistones: En los motores de pistón, la fuerza empuja los pistones hacia abajo, generando un movimiento lineal que se transforma en rotatorio a través de un cigüeñal.
  • Palas de turbina: En las turbinas de gas, la fuerza impulsa las palas de una turbina, generando un movimiento rotatorio directo.
  • Rotor: En los motores Wankel, la fuerza actúa sobre un rotor triangular que gira excéntricamente dentro de una cámara ovalada.
  • Boquilla: En los motores a reacción, la fuerza expulsa los gases a gran velocidad por una boquilla, generando una fuerza de propulsión.

Este movimiento se aprovecha para realizar trabajo, ya sea para impulsar un vehículo, generar electricidad o accionar maquinaria. Los motores de combustión interna son dispositivos fundamentales en la industria y el transporte moderno, aunque su uso está siendo cada vez más cuestionado debido a sus impactos ambientales.

Ventajas y desventajas

Ventajas:

  • Alta densidad de potencia: Permiten obtener una gran cantidad de potencia en un tamaño y peso relativamente reducidos.
  • Versatilidad: Se adaptan a una amplia variedad de aplicaciones, desde automóviles hasta aviones.

Desventajas:

  • Contaminación: La combustión de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes.
  • Eficiencia: Su eficiencia energética no es la más alta, ya que parte de la energía se disipa en forma de calor.

Si bien hay muchas aplicaciones estacionarias, la mayoría de los ICE se utilizan en aplicaciones móviles y son la principal fuente de alimentación para vehículos como automóviles, aviones y barcos. Los ICE generalmente funcionan con combustibles fósiles como el gas natural o productos derivados del petróleo como la gasolina, el combustible diesel o el fuel oil. Los combustibles renovables como el biodiésel se utilizan en motores de encendido por compresión (CI) y el bioetanol o ETBE (etil terc-butil éter) producido a partir de bioetanol en motores de encendido por chispa (SI). Ya en 1900, el inventor del motor diésel, Rudolf Diesel, utilizaba aceite de cacahuete para hacer funcionar sus motores. Los combustibles renovables se mezclan comúnmente con combustibles fósiles. El hidrógeno, que rara vez se usa, se puede obtener de combustibles fósiles o de energías renovables.

Historia

El primer motor de combustión interna comercialmente exitoso fue creado por Étienne Lenoir alrededor de 1860, y el primer motor de combustión interna moderno, conocido como motor Otto, fue creado en 1876 por Nicolaus Otto. El término motor de combustión interna generalmente se refiere a un motor en el que la combustión es intermitente, como los motores de pistón de dos tiempos y cuatro tiempos más familiares, junto con variantes, como el motor de pistón de seis tiempos y el motor rotativo Wankel. Una segunda clase de motores de combustión interna utiliza combustión continua: turbinas de gas, motores a reacción y la mayoría de los motores de cohetes, cada uno de los cuales son motores de combustión interna según el mismo principio que se describió anteriormente. Las armas de fuego también son una forma de motor de combustión interna,aunque de un tipo tan especializado que comúnmente se tratan como una categoría separada, junto con armamento como morteros y cañones antiaéreos. Por el contrario, en los motores de combustión externa, como los motores de vapor o Stirling, la energía se entrega a un fluido de trabajo que no consiste en productos de combustión, ni está mezclado con ellos ni está contaminado por ellos. Los fluidos de trabajo para motores de combustión externa incluyen aire, agua caliente, agua a presión o incluso sodio líquido, calentado en una caldera.

Varios científicos e ingenieros contribuyeron al desarrollo de los motores de combustión interna. En 1791, John Barber desarrolló la turbina de gas. En 1794, Thomas Mead patentó un motor de gas. También en 1794, Robert Street patentó un motor de combustión interna, que también fue el primero en usar combustible líquido, y construyó un motor en esa época. En 1798, John Stevens construyó el primer motor de combustión interna estadounidense. En 1807, los ingenieros franceses Nicéphore Niépce (quien inventó la fotografía) y Claude Niépce pusieron en marcha un prototipo de motor de combustión interna, utilizando explosiones de polvo controladas, el Pyréolophore, que obtuvo una patente de Napoleón Bonaparte. Este motor propulsó un barco en el río Saône en Francia.En el mismo año, el ingeniero suizo François Isaac de Rivaz inventó un motor de combustión interna a base de hidrógeno y propulsó el motor con chispa eléctrica. En 1808, De Rivaz instaló su invento en un vehículo de trabajo primitivo: "el primer automóvil del mundo propulsado por combustión interna". En 1823, Samuel Brown patentó el primer motor de combustión interna aplicado industrialmente.

En 1854 en el Reino Unido, los inventores italianos Eugenio Barsanti y Felice Matteucci obtuvieron la certificación: "Obtención de Fuerza Motriz por Explosión de Gases". En 1857, la Oficina de Patentes del Gran Sello les concedió la patente No.1655 por la invención de un "Aparato mejorado para obtener fuerza motriz a partir de gases". Barsanti y Matteucci obtuvieron otras patentes para la misma invención en Francia, Bélgica y Piamonte entre 1857 y 1859. En 1860, el ingeniero belga Jean Joseph Etienne Lenoir produjo un motor de combustión interna a gas.En 1864, Nicolaus Otto patentó el primer motor de gas atmosférico. En 1872, el estadounidense George Brayton inventó el primer motor comercial de combustión interna de combustible líquido. En 1876, Nicolaus Otto comenzó a trabajar con Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach, patentó el motor de cuatro tiempos de carga comprimida. En 1879, Karl Benz patentó un motor de gasolina de dos tiempos confiable. Más tarde, en 1886, Benz inició la primera producción comercial de vehículos de motor con motor de combustión interna, en los que un motor de tres ruedas y cuatro tiempos y el chasis formaban una sola unidad. En 1892, Rudolf Diesel desarrolló el primer motor de encendido por compresión de carga comprimida. En 1926, Robert Goddard lanzó el primer cohete de combustible líquido. En 1939, el Heinkel He 178 se convirtió en el primer avión a reacción del mundo.

Etimología

En un momento, la palabra máquina (a través del francés antiguo, del latín ingenium, "habilidad") significaba cualquier pieza de maquinaria, un sentido que persiste en expresiones como máquina de asedio. Un "motor" (del latín motor, "mover") es cualquier máquina que produce potencia mecánica. Tradicionalmente, los motores eléctricos no se denominan "motores"; sin embargo, los motores de combustión a menudo se denominan "motores". (Un motor eléctrico se refiere a una locomotora operada por electricidad).

En la navegación, un motor de combustión interna que está instalado en el casco se denomina motor, pero los motores que se encuentran en el espejo de popa se denominan motores.

Aplicaciones

Los motores de pistón alternativos son, con mucho, la fuente de energía más común para los vehículos terrestres y acuáticos, incluidos automóviles, motocicletas, barcos y, en menor medida, locomotoras (algunas son eléctricas pero la mayoría usan motores diésel). Los motores rotativos del diseño de Wankel se utilizan en algunos automóviles, aviones y motocicletas. Estos se conocen colectivamente como vehículos con motor de combustión interna (ICEV).

Cuando se requieren altas relaciones potencia-peso, los motores de combustión interna aparecen en forma de turbinas de combustión o, a veces, motores Wankel. Las aeronaves propulsadas suelen utilizar un ICE que puede ser un motor alternativo. En cambio, los aviones pueden usar motores a reacción y los helicópteros pueden usar turboejes; ambos son tipos de turbinas. Además de proporcionar propulsión, los aviones de pasajeros pueden emplear un ICE separado como unidad de potencia auxiliar. Los motores Wankel están instalados en muchos vehículos aéreos no tripulados.

Los ICE impulsan grandes generadores eléctricos que alimentan las redes eléctricas. Se encuentran en forma de turbinas de combustión con una potencia eléctrica típica del orden de unos 100 MW. Las centrales eléctricas de ciclo combinado utilizan el escape de alta temperatura para hervir y sobrecalentar el vapor de agua para hacer funcionar una turbina de vapor. Por lo tanto, la eficiencia es mayor porque se extrae más energía del combustible de la que podría extraer el motor de combustión solo. Las centrales eléctricas de ciclo combinado alcanzan eficiencias en el rango del 50% al 60%. En menor escala, los motores estacionarios, como los motores de gas o los generadores diésel, se utilizan como respaldo o para proporcionar energía eléctrica a áreas que no están conectadas a una red eléctrica.

Los motores pequeños (generalmente motores de gasolina/gasolina de 2 tiempos) son una fuente de energía común para cortadoras de césped, cortadoras de hilo, motosierras, sopladoras de hojas, lavadoras a presión, motos de nieve, motos acuáticas, motores fuera de borda, ciclomotores y motocicletas.

Clasificación

Hay varias formas posibles de clasificar los motores de combustión interna.

Alternativo

Por número de golpes:

  • Motor de dos tiempos
    • ciclo de empleado
    • Ciclo de día
  • Motor de cuatro tiempos (ciclo Otto)
  • motor de seis tiempos

Por tipo de encendido:

  • Motor de encendido por compresión
  • Motor de encendido por chispa (comúnmente encontrado como motores de gasolina)

Por ciclo mecánico/termodinámico (estos ciclos se usan con poca frecuencia, pero se encuentran comúnmente en vehículos híbridos, junto con otros vehículos fabricados para ahorrar combustible):

  • ciclo atkinson
  • ciclo molinero

Giratorio

  • motor Wankel

Combustión continua

  • motor de turbina de gas
    • Turborreactor, a través de una tobera propulsora
    • Turboventilador, a través de un conducto-ventilador
    • Turbohélice, a través de una hélice sin conductos, generalmente con paso variable
    • Turboeje, una turbina de gas optimizada para producir par mecánico en lugar de empuje
  • Ramjet, similar a un turborreactor pero utiliza la velocidad del vehículo para comprimir (ram) el aire en lugar de un compresor.
  • Scramjet, una variante del estatorreactor que utiliza combustión supersónica.
  • motor de cohete

Motores alternativos

Estructura

La base de un motor alternativo de combustión interna es el bloque del motor, que generalmente está hecho de hierro fundido (debido a su buena resistencia al desgaste y bajo costo) o aluminio. En este último caso, las camisas de los cilindros están hechas de hierro fundido o acero, o un revestimiento como nikasil o alusil. El bloque del motor contiene los cilindros. En los motores de más de un cilindro, suelen estar dispuestos en 1 fila (motor recto) o en 2 filas (motor bóxer o motor en V); Ocasionalmente se usan 3 filas (motor W) en motores contemporáneos, y son posibles y se han usado otras configuraciones de motor. Motores monocilíndricos (o golpeadores) son comunes para motocicletas y otros motores pequeños que se encuentran en maquinaria ligera. En el lado exterior del cilindro, los conductos que contienen líquido refrigerante están fundidos en el bloque del motor mientras que, en algunos motores de servicio pesado, los conductos son del tipo de camisas de cilindro extraíbles que pueden reemplazarse. Los motores enfriados por agua contienen pasajes en el bloque del motor por donde circula el líquido refrigerante (la camisa de agua). Algunos motores pequeños se enfrían con aire y, en lugar de tener una camisa de agua, el bloque de cilindros tiene aletas que sobresalen para enfriar el motor transfiriendo calor directamente al aire. Las paredes de los cilindros suelen acabarse bruñidas para obtener una escotilla cruzada, que es capaz de retener más aceite. Una superficie demasiado rugosa dañaría rápidamente el motor por un desgaste excesivo del pistón.

Los pistones son piezas cilíndricas cortas que sellan un extremo del cilindro contra la alta presión del aire comprimido y los productos de combustión y se deslizan continuamente dentro de él mientras el motor está en funcionamiento. En motores más pequeños, los pistones están hechos de aluminio; mientras que en aplicaciones más grandes, generalmente están hechos de hierro fundido. La pared superior del pistón se denomina su corona.y es típicamente plano o cóncavo. Algunos motores de dos tiempos usan pistones con una cabeza deflectora. Los pistones están abiertos en la parte inferior y son huecos excepto por una estructura de refuerzo integral (el alma del pistón). Cuando un motor está funcionando, la presión del gas en la cámara de combustión ejerce una fuerza sobre la cabeza del pistón que se transfiere a través de su alma a un bulón. Cada pistón tiene anillos colocados alrededor de su circunferencia que en su mayoría evitan que los gases se filtren al cárter o el aceite a la cámara de combustión. Un sistema de ventilación impulsa la pequeña cantidad de gas que escapa a través de los pistones durante el funcionamiento normal (los gases de escape) fuera del cárter para que no se acumule contaminando el aceite y creando corrosión.En los motores de gasolina de dos tiempos, el cárter es parte del trayecto aire-combustible y, debido a su flujo continuo, los motores de dos tiempos no necesitan un sistema de ventilación del cárter separado.

La culata está unida al bloque del motor mediante numerosos pernos o espárragos. Tiene varias funciones. La culata sella los cilindros del lado opuesto a los pistones; contiene conductos cortos (los puertos) para admisión y escape y las válvulas de admisión asociadas que se abren para permitir que el cilindro se llene de aire fresco y válvulas de escape que se abren para permitir que escapen los gases de combustión. Sin embargo, los motores de 2 tiempos con barrido del cárter conectan los puertos de gas directamente a la pared del cilindro sin válvulas de asiento; el pistón controla su apertura y oclusión en su lugar. La culata también alberga la bujía en el caso de los motores de encendido por chispa y el inyector para los motores que utilizan inyección directa. Todos los motores CI (encendido por compresión) usan inyección de combustible, generalmente inyección directa, pero algunos motores usan inyección indirecta. Los motores SI (encendido por chispa) pueden usar un carburador o inyección de combustible como inyección de puerto o inyección directa. La mayoría de los motores SI tienen una sola bujía por cilindro, pero algunos tienen 2. Una junta de culata evita que el gas se escape entre la culata y el bloque del motor. La apertura y cierre de las válvulas está controlada por uno o varios árboles de levas y resortes, o en algunos motores, un mecanismo desmodrómico que no usa resortes. El árbol de levas puede presionar directamente el vástago de la válvula o puede actuar sobre un balancín, ya sea directamente oa través de una varilla de empuje.

El cárter está sellado en la parte inferior con un sumidero que recoge el aceite que cae durante el funcionamiento normal para que vuelva a funcionar. La cavidad creada entre el bloque de cilindros y el sumidero alberga un cigüeñal que convierte el movimiento alternativo de los pistones en movimiento de rotación. El cigüeñal se mantiene en su lugar en relación con el bloque del motor mediante cojinetes principales, que le permiten girar. Los mamparos en el cárter forman la mitad de cada cojinete principal; la otra mitad es una tapa desmontable. En algunos casos, una sola plataforma de cojinete principalse utiliza en lugar de varias tapas más pequeñas. Una biela está conectada a las secciones compensadas del cigüeñal (las muñequillas) en un extremo y al pistón en el otro extremo a través del bulón y, por lo tanto, transfiere la fuerza y ​​traduce el movimiento alternativo de los pistones al movimiento circular del cigüeñal.. El extremo de la biela unido al bulón se llama su extremo pequeño, y el otro extremo, donde está conectado al cigüeñal, el extremo grande. La cabeza de biela tiene una mitad desmontable para permitir el montaje alrededor del cigüeñal. Se mantiene unida a la biela mediante pernos desmontables.

La culata tiene un colector de admisión y un colector de escape conectados a los puertos correspondientes. El colector de admisión se conecta directamente al filtro de aire, o a un carburador cuando hay uno, que luego se conecta al filtro de aire. Distribuye el aire entrante de estos dispositivos a los cilindros individuales. El colector de escape es el primer componente del sistema de escape. Recoge los gases de escape de los cilindros y los conduce al siguiente componente en el camino. El sistema de escape de un ICE también puede incluir un convertidor catalítico y un silenciador. La sección final en el camino de los gases de escape es el tubo de escape.

Motores de 4 tiempos

El punto muerto superior (PMS) de un pistón es la posición más cercana a las válvulas; el punto muerto inferior (BDC) es la posición opuesta donde está más alejado de ellos. Una carrera es el movimiento de un pistón de TDC a BDC o viceversa, junto con el proceso asociado. Mientras un motor está en funcionamiento, el cigüeñal gira continuamente a una velocidad casi constante. En un ICE de 4 tiempos, cada pistón experimenta 2 carreras por revolución del cigüeñal en el siguiente orden. Comenzando la descripción en TDC, estos son:

  1. Admisión, inducción o succión: Las válvulas de admisión están abiertas como resultado de la presión del lóbulo de la leva sobre el vástago de la válvula. El pistón se mueve hacia abajo aumentando el volumen de la cámara de combustión y permitiendo la entrada de aire en el caso de un motor CI o una mezcla de aire y combustible en el caso de motores SI que no utilizan inyección directa. La mezcla de aire o aire-combustible se denomina carga en cualquier caso.
  2. Compresión: En esta carrera, ambas válvulas están cerradas y el pistón se mueve hacia arriba reduciendo el volumen de la cámara de combustión que llega a su mínimo cuando el pistón está en PMS. El pistón realiza un trabajo sobre la carga a medida que se comprime; como resultado, su presión, temperatura y densidad aumentan; la ley de los gases ideales proporciona una aproximación a este comportamiento. Justo antes de que el pistón alcance el TDC, comienza la ignición. En el caso de un motor SI, la bujía recibe un pulso de alto voltaje que genera la chispa que le da nombre y enciende la carga. En el caso de un motor CI, el inyector de combustible inyecta rápidamente combustible en la cámara de combustión como un rocío; el combustible se enciende debido a la alta temperatura.
  3. Carrera de trabajo o potencia: La presión de los gases de combustión empuja el pistón hacia abajo, generando más energía cinética que la necesaria para comprimir la carga. Complementariamente a la carrera de compresión, los gases de combustión se expanden y como resultado su temperatura, presión y densidad disminuyen. Cuando el pistón está cerca de BDC, la válvula de escape se abre. Los gases de combustión se expanden irreversiblemente debido a la presión sobrante —en exceso de la contrapresión, la presión manométrica en el puerto de escape—; esto se llama purga.
  4. Escape: La válvula de escape permanece abierta mientras el pistón se mueve hacia arriba expulsando los gases de combustión. En el caso de los motores atmosféricos, una pequeña parte de los gases de combustión puede permanecer en el cilindro durante el funcionamiento normal porque el pistón no cierra completamente la cámara de combustión; estos gases se disuelven en la siguiente carga. Al final de esta carrera, la válvula de escape se cierra, la válvula de admisión se abre y la secuencia se repite en el próximo ciclo. La válvula de admisión puede abrirse antes de que se cierre la válvula de escape para permitir una mejor evacuación.

Motores de 2 tiempos

La característica definitoria de este tipo de motor es que cada pistón completa un ciclo cada revolución del cigüeñal. Los 4 procesos de admisión, compresión, potencia y escape se realizan en tan solo 2 tiempos por lo que no es posible dedicar un tiempo en exclusiva a cada uno de ellos. A partir de TDC el ciclo consta de:

  1. Potencia: Mientras el pistón va descendiendo los gases de combustión realizan trabajo sobre él, como en un motor de 4 tiempos. Se aplican las mismas consideraciones termodinámicas sobre la expansión.
  2. Barrido: alrededor de 75° de rotación del cigüeñal antes de BDC, se abre la válvula de escape o el puerto y se produce la purga. Poco después se abre la válvula de admisión o el puerto de transferencia. La carga entrante desplaza los gases de combustión restantes al sistema de escape y una parte de la carga también puede ingresar al sistema de escape. El pistón alcanza PMI y cambia de dirección. Después de que el pistón haya viajado una corta distancia hacia arriba dentro del cilindro, la válvula o puerto de escape se cierra; en breve, la válvula de admisión o el puerto de transferencia también se cierra.
  3. Compresión: con la admisión y el escape cerrados, el pistón continúa moviéndose hacia arriba comprimiendo la carga y realizando un trabajo sobre ella. Como en el caso de un motor de 4 tiempos, el encendido comienza justo antes de que el pistón alcance el TDC y se aplica la misma consideración sobre la termodinámica de la compresión en la carga.

Mientras que un motor de 4 tiempos usa el pistón como una bomba de desplazamiento positivo para lograr el barrido tomando 2 de los 4 tiempos, un motor de 2 tiempos usa la última parte de la carrera de potencia y la primera parte de la carrera de compresión para admisión y escape combinados.. El trabajo requerido para desplazar la carga y los gases de escape proviene del cárter o de un soplador separado. Para el barrido, la expulsión del gas quemado y la entrada de mezcla nueva, se describen dos enfoques principales: barrido en bucle y barrido Uniflow. SAE News publicó en la década de 2010 que 'Loop Scavenging' es mejor bajo cualquier circunstancia que Uniflow Scavenging.

Cárter eliminado

Algunos motores SI son depurados del cárter y no usan válvulas de asiento. En cambio, el cárter y la parte del cilindro debajo del pistón se utilizan como bomba. El puerto de admisión está conectado al cárter a través de una válvula de láminas o una válvula de disco rotatorio accionada por el motor. Para cada cilindro, un puerto de transferencia se conecta en un extremo al cárter y en el otro extremo a la pared del cilindro. El puerto de escape está conectado directamente a la pared del cilindro. El puerto de transferencia y escape son abiertos y cerrados por el pistón. La válvula de láminas se abre cuando la presión del cárter está ligeramente por debajo de la presión de admisión, para permitir que se llene con una nueva carga; esto sucede cuando el pistón se mueve hacia arriba. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, la presión en el cárter aumenta y la válvula de láminas se cierra rápidamente, luego se comprime la carga en el cárter. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, también descubre el puerto de escape y el puerto de transferencia y la mayor presión de la carga en el cárter hace que entre al cilindro a través del puerto de transferencia, expulsando los gases de escape. La lubricación se logra agregandoAceite de 2 tiempos al combustible en pequeñas proporciones. Petróleo se refiere a la mezcla de gasolina con dicho aceite. Este tipo de motor de 2 tiempos tiene una eficiencia menor que los motores de 4 tiempos comparables y libera más gases de escape contaminantes en las siguientes condiciones:

  • Usan un sistema de lubricación de pérdida total: todo el aceite lubricante finalmente se quema junto con el combustible.
  • Existen requisitos contradictorios para el barrido: por un lado, se debe introducir suficiente carga fresca en cada ciclo para desplazar casi todos los gases de combustión, pero introducir demasiada significa que una parte se va al escape.
  • Deben usar los puertos de transferencia como una boquilla cuidadosamente diseñada y colocada de modo que se cree una corriente de gas de manera que barre todo el cilindro antes de llegar al puerto de escape para expulsar los gases de combustión, pero minimizando la cantidad de carga agotada. Los motores de 4 tiempos tienen la ventaja de expulsar a la fuerza casi todos los gases de combustión porque durante el escape la cámara de combustión se reduce a su volumen mínimo. En los motores de 2 tiempos con barrido del cárter, el escape y la admisión se realizan en su mayoría simultáneamente y con la cámara de combustión en su volumen máximo.

La principal ventaja de los motores de 2 tiempos de este tipo es la simplicidad mecánica y una mayor relación potencia-peso que sus contrapartes de 4 tiempos. A pesar de tener el doble de carreras de fuerza por ciclo, en la práctica se puede lograr menos del doble de la potencia de un motor comparable de 4 tiempos.

En los EE. UU., se prohibieron los motores de 2 tiempos para los vehículos de carretera debido a la contaminación. Las motocicletas todo terreno siguen siendo a menudo de 2 tiempos, pero rara vez son legales en la carretera. Sin embargo, se utilizan muchos miles de motores de mantenimiento de césped de 2 tiempos.

Soplador eliminado

El uso de un soplador separado evita muchas de las deficiencias de la limpieza del cárter, a expensas de una mayor complejidad, lo que significa un mayor costo y un aumento en los requisitos de mantenimiento. Un motor de este tipo usa lumbreras o válvulas para la admisión y válvulas para el escape, excepto los motores de pistones opuestos, que también pueden usar lumbreras para el escape. El soplador suele ser del tipo Roots, pero también se han utilizado otros tipos. Este diseño es común en los motores CI y se ha utilizado ocasionalmente en los motores SI.

Los motores CI que usan un soplador generalmente usan barrido uniflow. En este diseño, la pared del cilindro contiene varios puertos de admisión colocados uniformemente espaciados a lo largo de la circunferencia, justo por encima de la posición que alcanza la cabeza del pistón cuando está en BDC. Se utiliza una válvula de escape o varias como la de los motores de 4 tiempos. La parte final del múltiple de admisión es una manga de aire que alimenta los puertos de admisión. Los puertos de admisión están colocados en un ángulo horizontal con respecto a la pared del cilindro (es decir, están en el plano de la corona del pistón) para dar un giro a la carga entrante y mejorar la combustión. Los CI alternativos más grandes son los motores CI de baja velocidad de este tipo; se utilizan para propulsión marina (ver motor diesel marino) o generación de energía eléctrica y logran las eficiencias térmicas más altas entre los motores de combustión interna de cualquier tipo. Algunos motores de locomotoras diesel-eléctricas funcionan en el ciclo de 2 tiempos. Los más potentes tienen una potencia de frenado de unos 4,5 MW o 6.000 CV. La clase de locomotoras EMD SD90MAC son un ejemplo de ello. La clase comparable GE AC6000CW, cuyo motor principal tiene casi la misma potencia de frenado, utiliza un motor de 4 tiempos.

Un ejemplo de este tipo de motor es el Wärtsilä-Sulzer RT-flex96-C Diesel de 2 tiempos turboalimentado, utilizado en grandes buques portacontenedores. Es el motor alternativo de combustión interna más eficiente y potente del mundo con una eficiencia térmica superior al 50%. A modo de comparación, los motores pequeños de cuatro tiempos más eficientes tienen una eficiencia térmica de alrededor del 43 % (SAE 900648); el tamaño es una ventaja para la eficiencia debido al aumento en la relación entre el volumen y el área superficial.

Vea los enlaces externos para ver un video de combustión en cilindro en un motor de motocicleta de 2 tiempos accesible ópticamente.

Diseño histórico

Dugald Clerk desarrolló el primer motor de dos tiempos en 1879. Utilizaba un cilindro separado que funcionaba como bomba para transferir la mezcla de combustible al cilindro.

En 1899, John Day simplificó el diseño de Clerk en el tipo de motor de 2 ciclos que se usa mucho en la actualidad. Los motores de ciclo diurno se limpian del cárter y se cronometran en el puerto. El cárter y la parte del cilindro debajo del puerto de escape se utilizan como bomba. El funcionamiento del motor de ciclo diurno comienza cuando se gira el cigüeñal de modo que el pistón se mueva desde el PMI hacia arriba (hacia la culata) creando un vacío en el área del cárter/cilindro. Luego, el carburador alimenta la mezcla de combustible al cárter a través de una válvula de lengüeta o una válvula de disco rotatorio (impulsada por el motor). Hay conductos fundidos desde el cárter hasta el puerto en el cilindro para proporcionar admisión y otro desde el puerto de escape hasta el tubo de escape. La altura del puerto en relación con la longitud del cilindro se denomina "sincronización del puerto".

En la primera carrera ascendente del motor no entraría combustible en el cilindro ya que el cárter estaba vacío. En la carrera descendente, el pistón ahora comprime la mezcla de combustible, que ha lubricado el pistón en el cilindro y los cojinetes debido a que se le agregó aceite a la mezcla de combustible. A medida que el pistón se mueve hacia abajo, primero descubre el escape, pero en el primer golpe no hay combustible quemado para el escape. A medida que el pistón se mueve más hacia abajo, descubre el puerto de admisión que tiene un conducto que va hasta el cárter. Dado que la mezcla de combustible en el cárter está bajo presión, la mezcla se mueve a través del conducto hacia el cilindro.

Debido a que no hay obstrucción en el cilindro del combustible para salir directamente del puerto de escape antes de que el pistón se eleve lo suficiente como para cerrar el puerto, los primeros motores usaban un pistón abovedado alto para reducir la velocidad del flujo de combustible. Más tarde, el combustible "resonaba" de regreso al cilindro utilizando un diseño de cámara de expansión. Cuando el pistón subió cerca del TDC, una chispa encendió el combustible. A medida que el pistón es impulsado hacia abajo con potencia, primero descubre el puerto de escape donde el combustible quemado es expulsado a alta presión y luego el puerto de admisión donde el proceso se ha completado y seguirá repitiéndose.

Los motores posteriores utilizaron un tipo de puerto ideado por la empresa Deutz para mejorar el rendimiento. Se llamó el sistema de flujo inverso de Schnurle. DKW obtuvo la licencia de este diseño para todas sus motocicletas. Como resultado, su DKW RT 125 fue uno de los primeros vehículos de motor en lograr más de 100 mpg.

Encendido

Los motores de combustión interna requieren el encendido de la mezcla, ya sea por encendido por chispa (SI) o encendido por compresión (CI). Antes de la invención de métodos eléctricos confiables, se usaban métodos de tubo caliente y llama. Se han construido motores experimentales con encendido por láser.

Proceso de encendido por chispa

El motor de encendido por chispa fue un refinamiento de los primeros motores que usaban encendido de tubo caliente. Cuando Bosch desarrolló el magneto, se convirtió en el principal sistema para producir electricidad para energizar una bujía. Muchos motores pequeños todavía usan encendido por magneto. Los motores pequeños se arrancan manualmente con un arrancador de retroceso o una manivela manual. Antes del desarrollo del motor de arranque para automóviles de Charles F. Kettering de Delco, todos los automóviles con motor de gasolina usaban una manivela.

Los motores más grandes normalmente alimentan sus motores de arranque y sistemas de encendido utilizando la energía eléctrica almacenada en una batería de plomo-ácido. El estado de carga de la batería se mantiene mediante un alternador de automóvil o (anteriormente) un generador que utiliza la potencia del motor para crear almacenamiento de energía eléctrica.

La batería suministra energía eléctrica para arrancar cuando el motor tiene un sistema de motor de arranque y suministra energía eléctrica cuando el motor está apagado. La batería también suministra energía eléctrica durante condiciones de funcionamiento excepcionales en las que el alternador no puede mantener más de 13,8 voltios (para un sistema eléctrico automotriz común de 12 V). A medida que el voltaje del alternador cae por debajo de los 13,8 voltios, la batería de almacenamiento de plomo-ácido absorbe cada vez más la carga eléctrica. Durante prácticamente todas las condiciones de funcionamiento, incluidas las condiciones normales de inactividad, el alternador suministra energía eléctrica primaria.

Algunos sistemas desactivan la potencia del campo del alternador (rotor) durante condiciones de aceleración total. La desactivación del campo reduce la carga mecánica de la polea del alternador a casi cero, lo que maximiza la potencia del cigüeñal. En este caso, la batería suministra toda la energía eléctrica primaria.

Los motores de gasolina toman una mezcla de aire y gasolina y la comprimen mediante el movimiento del pistón desde el punto muerto inferior al punto muerto superior cuando el combustible está en compresión máxima. La reducción en el tamaño del área de barrido del cilindro y teniendo en cuenta el volumen de la cámara de combustión se describe mediante una relación. Los primeros motores tenían relaciones de compresión de 6 a 1. A medida que aumentaban las relaciones de compresión, también aumentaba la eficiencia del motor.

Con los primeros sistemas de encendido e inducción, las relaciones de compresión debían mantenerse bajas. Con los avances en la tecnología de combustible y la gestión de la combustión, los motores de alto rendimiento pueden funcionar de forma fiable con una relación de 12:1. Con combustible de bajo octanaje, se produciría un problema a medida que aumentaba la relación de compresión a medida que el combustible se encendía debido al aumento de temperatura resultante. Charles Kettering desarrolló un aditivo de plomo que permitía relaciones de compresión más altas, que se abandonó progresivamente para uso automotriz a partir de la década de 1970, en parte debido a problemas de envenenamiento por plomo.

La mezcla de combustible se enciende en diferentes progresiones del pistón en el cilindro. A bajas revoluciones, la chispa se sincroniza para que ocurra cerca del pistón alcanzando el punto muerto superior. Para producir más potencia, a medida que aumentan las rpm, la chispa avanza antes durante el movimiento del pistón. La chispa ocurre mientras el combustible aún se comprime progresivamente más a medida que aumentan las rpm.

El alto voltaje necesario, típicamente 10,000 voltios, es suministrado por una bobina de inducción o un transformador. La bobina de inducción es un sistema de retorno que utiliza la interrupción de la corriente del sistema eléctrico primario a través de algún tipo de interruptor sincronizado. El interruptor puede ser puntos de contacto o un transistor de potencia. El problema de este tipo de encendido es que a medida que aumentan las RPM disminuye la disponibilidad de energía eléctrica. Esto es especialmente un problema, ya que la cantidad de energía necesaria para encender una mezcla de combustible más densa es mayor. El resultado fue a menudo un fallo de encendido de altas RPM.

Se desarrolló el encendido por descarga de capacitor. Produce un voltaje creciente que se envía a la bujía. Los voltajes del sistema de CD pueden alcanzar los 60,000 voltios. Los encendidos de CD utilizan transformadores elevadores. El transformador elevador utiliza la energía almacenada en una capacitancia para generar una chispa eléctrica. Con cualquiera de los sistemas, un sistema de control mecánico o eléctrico proporciona un alto voltaje cuidadosamente sincronizado al cilindro adecuado. Esta chispa, a través de la bujía, enciende la mezcla de aire y combustible en los cilindros del motor.

Si bien los motores de combustión interna de gasolina son mucho más fáciles de arrancar en climas fríos que los motores diésel, aún pueden tener problemas de arranque en climas fríos en condiciones extremas. Durante años, la solución fue aparcar el coche en zonas climatizadas. En algunas partes del mundo, el aceite se drenaba y calentaba durante la noche y se devolvía al motor para arranques en frío. A principios de la década de 1950, se desarrolló la unidad Gasificadora de gasolina, donde, en climas fríos, la gasolina cruda se desviaba a la unidad donde se quemaba parte del combustible, lo que hacía que la otra parte se convirtiera en vapor caliente enviado directamente al múltiple de válvulas de admisión. Esta unidad fue bastante popular hasta que los calentadores de bloque de motor eléctrico se convirtieron en estándar en los motores de gasolina vendidos en climas fríos.

Proceso de encendido por compresión

Para el encendido, los motores diésel, PPC y HCCI dependen únicamente de la alta temperatura y presión creada por el motor en su proceso de compresión. El nivel de compresión que se produce suele ser el doble o más que un motor de gasolina. Los motores diésel solo toman aire y, poco antes de la compresión máxima, rocían una pequeña cantidad de combustible diésel en el cilindro a través de un inyector de combustible que permite que el combustible se encienda instantáneamente. Los motores de tipo HCCI toman aire y combustible, pero continúan dependiendo de un proceso de autocombustión sin ayuda, debido a presiones y temperaturas más altas. Esta es también la razón por la que los motores diesel y HCCI son más susceptibles a problemas de arranque en frío, aunque funcionan igual de bien en climas fríos una vez arrancados. Los motores diésel de servicio ligero con inyección indirecta en automóviles y camiones ligeros emplean bujías incandescentes (u otros sistemas de precalentamiento: consulte Cummins ISB#6BT) que precalientan la cámara de combustión justo antes de comenzar a reducir las condiciones de no arranque en climas fríos. La mayoría de los diésel también tienen una batería y un sistema de carga; sin embargo, este sistema es secundario y los fabricantes lo agregan como un lujo por la facilidad de arranque, encendido y apagado de combustible (que también se puede hacer a través de un interruptor o aparato mecánico), y para hacer funcionar componentes eléctricos auxiliares y accesorios. La mayoría de los motores nuevos se basan en unidades de control del motor (ECU) eléctricas y electrónicas que también ajustan el proceso de combustión para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones. encender y apagar el combustible (que también se puede hacer a través de un interruptor o un aparato mecánico), y para hacer funcionar los componentes y accesorios eléctricos auxiliares. La mayoría de los motores nuevos se basan en unidades de control del motor (ECU) eléctricas y electrónicas que también ajustan el proceso de combustión para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones. encender y apagar el combustible (que también se puede hacer a través de un interruptor o un aparato mecánico), y para hacer funcionar los componentes y accesorios eléctricos auxiliares. La mayoría de los motores nuevos se basan en unidades de control del motor (ECU) eléctricas y electrónicas que también ajustan el proceso de combustión para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones.

Lubricación

Las superficies en contacto y en movimiento relativo a otras superficies requieren lubricación para reducir el desgaste, el ruido y aumentar la eficiencia al reducir el desperdicio de energía para superar la fricción, o para hacer que el mecanismo funcione. Además, el lubricante utilizado puede reducir el exceso de calor y proporcionar refrigeración adicional a los componentes. Como mínimo, un motor requiere lubricación en las siguientes partes:

  • Entre pistones y cilindros
  • Cojinetes pequeños
  • Cojinetes de biela
  • Cojinetes principales
  • Engranaje de válvula (los siguientes elementos pueden no estar presentes):
    • Empujadores
    • Brazos rockeros
    • varillas de empuje
    • Cadena de distribución o engranajes. Las correas dentadas no requieren lubricación.

En los motores de dos tiempos con barrido del cárter, el interior del cárter y, por lo tanto, el cigüeñal, la biela y la parte inferior de los pistones son rociados por el aceite de dos tiempos en la mezcla de aire, combustible y aceite, que luego se quema junto con el combustible.. El tren de válvulas puede estar contenido en un compartimiento inundado con lubricante para que no se requiera una bomba de aceite.

En un sistema de lubricación por salpicadura no se utiliza bomba de aceite. En cambio, el cigüeñal se sumerge en el aceite del cárter y, debido a su alta velocidad, salpica el cigüeñal, las bielas y la parte inferior de los pistones. Las tapas de cabeza de biela pueden tener una pala adjunta para mejorar este efecto. El tren de válvulas también puede sellarse en un compartimiento inundado o abrirse al cigüeñal de manera que reciba salpicaduras de aceite y permita que se drene de regreso al sumidero. La lubricación por salpicadura es común para los motores pequeños de 4 tiempos.

En un sistema de lubricación forzada (también llamado presurizado), la lubricación se logra en un circuito cerrado que transporta aceite de motor a las superficies a las que da servicio el sistema y luego devuelve el aceite a un depósito. El equipo auxiliar de un motor normalmente no recibe servicio de este bucle; por ejemplo, un alternador puede usar cojinetes de bolas sellados con su propio lubricante. El depósito para el aceite suele ser el sumidero y, cuando este es el caso, se denomina sistema de sumidero húmedo. Cuando hay un depósito de aceite diferente, el cárter aún lo atrapa, pero una bomba dedicada lo drena continuamente; esto se llama un sistema de cárter seco.

En su parte inferior, el sumidero contiene una entrada de aceite cubierta por un filtro de malla que está conectado a una bomba de aceite y luego a un filtro de aceite fuera del cárter. Desde allí se desvía a los cojinetes principales del cigüeñal y al tren de válvulas. El cárter contiene al menos una galería de aceite.(un conducto dentro de una pared del cárter) al que se introduce aceite desde el filtro de aceite. Los cojinetes principales contienen una ranura en toda o la mitad de su circunferencia; el aceite ingresa a estas ranuras desde canales conectados a la galería de aceite. El cigüeñal tiene perforaciones que toman aceite de estas ranuras y lo entregan a los cojinetes de biela. Todos los cojinetes de cabeza de biela se lubrican de esta manera. Un solo cojinete principal puede proporcionar aceite para 0, 1 o 2 cojinetes de cabeza de biela. Se puede utilizar un sistema similar para lubricar el pistón, su bulón y el pie pequeño de su biela; en este sistema, la cabeza de biela tiene una ranura alrededor del cigüeñal y un taladro conectado a la ranura que distribuye el aceite desde allí hasta el fondo del pistón y de allí al cilindro.

También se utilizan otros sistemas para lubricar el cilindro y el pistón. La biela puede tener una boquilla para lanzar un chorro de aceite al cilindro y al fondo del pistón. Esa tobera está en movimiento con respecto al cilindro que lubrica, pero siempre apuntando hacia él o el pistón correspondiente.

Por lo general, los sistemas de lubricación forzada tienen un flujo de lubricante superior al necesario para lubricar satisfactoriamente, a fin de ayudar con el enfriamiento. Específicamente, el sistema de lubricación ayuda a mover el calor de las partes calientes del motor al líquido refrigerante (en motores enfriados por agua) o aletas (en motores enfriados por aire) que luego lo transfieren al medio ambiente. El lubricante debe estar diseñado para ser químicamente estable y mantener viscosidades adecuadas dentro del rango de temperatura que encuentra en el motor.

Configuración del cilindro

Las configuraciones comunes de cilindros incluyen la configuración recta o en línea, la configuración en V más compacta y la configuración plana o bóxer más ancha pero más suave. Los motores de los aviones también pueden adoptar una configuración radial, lo que permite una refrigeración más eficaz. También se han utilizado configuraciones más inusuales, como H, U, X y W.

Los motores de cilindros múltiples tienen su tren de válvulas y cigüeñal configurados para que los pistones estén en diferentes partes de su ciclo. Es deseable que los ciclos de los pistones estén espaciados uniformemente (esto se denomina encendido uniforme), especialmente en motores de inducción forzada; esto reduce las pulsaciones de torquey fabrica motores en línea con más de 3 cilindros estáticamente balanceados en sus fuerzas primarias. Sin embargo, algunas configuraciones de motor requieren encendidos extraños para lograr un mejor equilibrio que lo que es posible con encendidos uniformes. Por ejemplo, un motor I2 de 4 tiempos tiene un mejor equilibrio cuando el ángulo entre las muñequillas es de 180° porque los pistones se mueven en direcciones opuestas y las fuerzas de inercia se cancelan parcialmente, pero esto da un patrón de encendido extraño donde un cilindro dispara 180° de rotación del cigüeñal. después del otro, entonces ningún cilindro dispara para 540°. Con un patrón de disparo uniforme, los pistones se moverían al unísono y las fuerzas asociadas se sumarían.

Las configuraciones de múltiples cigüeñales no necesariamente necesitan una culata porque en su lugar pueden tener un pistón en cada extremo del cilindro llamado diseño de pistón opuesto. Debido a que las entradas y salidas de combustible están ubicadas en extremos opuestos del cilindro, se puede lograr un barrido uniflow que, como en el motor de cuatro tiempos, es eficiente en una amplia gama de velocidades del motor. La eficiencia térmica se mejora debido a la falta de culatas. Este diseño se usó en el motor de avión diesel Junkers Jumo 205, usando dos cigüeñales en cada extremo de un solo banco de cilindros, y más notablemente en los motores diesel Napier Deltic. Estos usaban tres cigüeñales para servir a tres bancos de cilindros de dos extremos dispuestos en un triángulo equilátero con los cigüeñales en las esquinas. También se utilizó en motores de locomotoras de un solo banco,

Ciclo diésel

La mayoría de los motores diésel de camiones y automóviles utilizan un ciclo que recuerda a un ciclo de cuatro tiempos, pero con un aumento de temperatura por compresión que provoca el encendido, en lugar de necesitar un sistema de encendido separado. Esta variación se llama el ciclo diesel. En el ciclo diésel, el combustible diésel se inyecta directamente en el cilindro para que la combustión se produzca a presión constante, a medida que se mueve el pistón.

Ciclo oto

El ciclo Otto es el ciclo más común para la mayoría de los motores de combustión interna de los automóviles que utilizan gasolina como combustible. Consiste en los mismos pasos principales que se describen para el motor de cuatro tiempos: Admisión, compresión, encendido, expansión y escape.

Motor de cinco tiempos

En 1879, Nicolaus Otto fabricó y vendió un motor de doble expansión (los principios de doble y triple expansión tenían un amplio uso en las máquinas de vapor), con dos cilindros pequeños a ambos lados de un cilindro más grande de baja presión, donde una segunda expansión de gas de carrera de escape tuvo lugar; el dueño lo devolvió, alegando mal desempeño. En 1906, el concepto se incorporó a un automóvil construido por EHV (Eisenhuth Horseless Vehicle Company); y en el siglo XXI Ilmor diseñó y probó con éxito un motor de combustión interna de doble expansión de 5 tiempos, con alta potencia de salida y bajo SFC (Consumo Específico de Combustible).

Motor de seis tiempos

El motor de seis tiempos se inventó en 1883. Cuatro tipos de motores de seis tiempos usan un pistón regular en un cilindro regular (Griffin de seis tiempos, Bajulaz de seis tiempos, Velozeta de seis tiempos y Crower de seis tiempos), disparando cada tres revoluciones del cigüeñal. Estos sistemas capturan el calor residual del ciclo Otto de cuatro tiempos con una inyección de aire o agua.

Los motores Beare Head y "cargador de pistones" funcionan como motores de pistones opuestos, dos pistones en un solo cilindro, disparando cada dos revoluciones en lugar de cada cuatro como un motor de cuatro tiempos.

Otros ciclos

Los primeros motores de combustión interna no comprimían la mezcla. La primera parte de la carrera descendente del pistón aspiró una mezcla de aire y combustible, luego la válvula de entrada se cerró y, en el resto de la carrera descendente, la mezcla de aire y combustible se disparó. La válvula de escape se abrió para la carrera ascendente del pistón. Estos intentos de imitar el principio de una máquina de vapor fueron muy ineficaces. Hay una serie de variaciones de estos ciclos, sobre todo los ciclos de Atkinson y Miller.

Los motores de ciclo dividido separan los cuatro tiempos de admisión, compresión, combustión y escape en dos cilindros separados pero emparejados. El primer cilindro se utiliza para admisión y compresión. Luego, el aire comprimido se transfiere a través de un pasaje cruzado desde el cilindro de compresión al segundo cilindro, donde se produce la combustión y el escape. Un motor de ciclo dividido es en realidad un compresor de aire por un lado y una cámara de combustión por el otro.

Los motores de ciclo dividido anteriores han tenido dos problemas principales: mala respiración (eficiencia volumétrica) y baja eficiencia térmica. Sin embargo, se están introduciendo nuevos diseños que buscan abordar estos problemas. El motor Scuderi aborda el problema de la respiración al reducir la holgura entre el pistón y la culata a través de varias técnicas de turboalimentación. El diseño de Scuderi requiere el uso de válvulas que se abren hacia afuera que permiten que el pistón se mueva muy cerca de la culata sin la interferencia de las válvulas. Scuderi aborda la baja eficiencia térmica disparando después del punto muerto superior (ATDC).

Se puede disparar el ATDC usando aire a alta presión en el pasaje de transferencia para crear un flujo sónico y una alta turbulencia en el cilindro de potencia.

El motor de cigüeñal-balancín de cuatro tiempos con cilindro curvo también se inventó para estudiar su eficiencia.

Turbinas de combustión

Motor a reacción

Los motores a reacción utilizan varias filas de aspas de ventilador para comprimir el aire que luego ingresa a una cámara de combustión donde se mezcla con combustible (generalmente combustible JP) y luego se enciende. La quema del combustible eleva la temperatura del aire que luego se expulsa del motor creando empuje. Un motor turboventilador moderno puede funcionar con una eficiencia de hasta el 48 %.

Hay seis secciones en un motor turboventilador:

  • Admirador
  • Compresor
  • combustor
  • Turbina
  • Mezclador
  • Boquilla

Turbinas de gas

Una turbina de gas comprime aire y lo usa para hacer girar una turbina. Es esencialmente un motor a reacción que dirige su salida a un eje. Hay tres etapas en una turbina: 1) el aire se extrae a través de un compresor donde la temperatura aumenta debido a la compresión, 2) se agrega combustible en la cámara de combustión y 3) el aire caliente se expulsa a través de las palas de la turbina que hacen girar un eje conectado a la turbina. compresor.

Una turbina de gas es una máquina rotativa similar en principio a una turbina de vapor y consta de tres componentes principales: un compresor, una cámara de combustión y una turbina. La temperatura del aire, después de ser comprimido en el compresor, se incrementa quemando combustible en él. El aire calentado y los productos de la combustión se expanden en una turbina, generando trabajo. Alrededor de 2 ⁄ 3 del trabajo impulsa el compresor: el resto (alrededor de 1 ⁄ 3) está disponible como salida de trabajo útil.

Las turbinas de gas se encuentran entre los motores de combustión interna más eficientes. Las centrales eléctricas de ciclo combinado de turbinas 7HA y 9HA de General Electric tienen una eficiencia superior al 61%.

Ciclo brayton

Una turbina de gas es una máquina rotativa algo similar en principio a una turbina de vapor. Consta de tres componentes principales: compresor, cámara de combustión y turbina. El aire es comprimido por el compresor donde se produce un aumento de temperatura. La temperatura del aire comprimido aumenta aún más por la combustión del combustible inyectado en la cámara de combustión que expande el aire. Esta energía hace girar la turbina que acciona el compresor a través de un acoplamiento mecánico. Luego, los gases calientes se expulsan para proporcionar empuje.

Los motores de ciclo de turbina de gas emplean un sistema de combustión continua en el que la compresión, la combustión y la expansión ocurren simultáneamente en diferentes lugares del motor, lo que proporciona una potencia continua. Cabe destacar que la combustión tiene lugar a presión constante, en lugar del ciclo Otto, a volumen constante.

Motores Wankel

El motor Wankel (motor rotativo) no tiene carreras de pistón. Funciona con la misma separación de fases que el motor de cuatro tiempos y las fases tienen lugar en lugares separados del motor. En términos termodinámicos, sigue el ciclo del motor Otto, por lo que puede considerarse como un motor de "cuatro fases". Si bien es cierto que típicamente ocurren tres carreras de potencia por revolución del rotor, debido a la relación de revolución de 3:1 del rotor al eje excéntrico, en realidad solo ocurre una carrera de potencia por revolución del eje. El eje de transmisión (excéntrico) gira una vez durante cada carrera de potencia en lugar de dos veces (cigüeñal), como en el ciclo Otto, lo que le otorga una mayor relación potencia-peso que los motores de pistón. Este tipo de motor se utilizó sobre todo en el Mazda RX-8, el anterior RX-7 y otros modelos de vehículos.

Inducción forzada

La inducción forzada es el proceso de suministrar aire comprimido a la entrada de un motor de combustión interna. Un motor de inducción forzada utiliza un compresor de gas para aumentar la presión, la temperatura y la densidad del aire. Un motor sin inducción forzada se considera un motor de aspiración natural.

La inducción forzada se utiliza en la industria automotriz y de aviación para aumentar la potencia y la eficiencia del motor. Ayuda especialmente a los motores de aviación, ya que necesitan operar a gran altura.

La inducción forzada se logra mediante un sobrealimentador, en el que el compresor recibe energía directamente del eje del motor o, en el turbocompresor, de una turbina impulsada por el escape del motor.

Combustibles y oxidantes

Todos los motores de combustión interna dependen de la combustión de un combustible químico, normalmente con oxígeno del aire (aunque es posible inyectar óxido nitroso para hacer más de lo mismo y ganar potencia). El proceso de combustión suele dar como resultado la producción de una gran cantidad de energía térmica, así como la producción de vapor y dióxido de carbono y otros productos químicos a muy alta temperatura; la temperatura alcanzada está determinada por la composición química del combustible y los comburentes (ver estequiometría), así como por la compresión y otros factores.

Combustibles

Los combustibles modernos más comunes están compuestos por hidrocarburos y se derivan principalmente de combustibles fósiles (petróleo). Los combustibles fósiles incluyen combustible diesel, gasolina y gas de petróleo, y el uso más raro de propano. Excepto por los componentes de suministro de combustible, la mayoría de los motores de combustión interna que están diseñados para usar gasolina pueden funcionar con gas natural o gases licuados de petróleo sin modificaciones importantes. Los motores diésel grandes pueden funcionar con aire mezclado con gases y una inyección piloto de encendido de combustible diésel. También se pueden utilizar biocombustibles líquidos y gaseosos, como el etanol y el biodiésel (una forma de combustible diésel que se produce a partir de cultivos que producen triglicéridos como el aceite de soja). Los motores con las modificaciones apropiadas también pueden funcionar con gas de hidrógeno, gas de madera o gas de carbón vegetal, así como también con el llamado gas productor hecho de otra biomasa conveniente.

Actualmente, los combustibles utilizados incluyen:

  • Petróleo:
    • Alcohol de petróleo (término norteamericano: gasolina, término británico: gasolina)
    • Diésel de petróleo.
    • Autogás (gas licuado de petróleo).
    • Gas natural comprimido.
    • Jet fuel (combustible de aviación)
    • Combustible residual
  • Carbón:
    • La gasolina se puede hacer a partir de carbono (carbón) utilizando el proceso Fischer-Tropsch
    • El combustible diésel se puede fabricar a partir de carbono utilizando el proceso Fischer-Tropsch
  • Biocombustibles y aceites vegetales:
    • Aceite de cacahuete y otros aceites vegetales.
    • Gas de madera, de un gasificador de madera a bordo que utiliza madera maciza como combustible
    • Biocombustibles:
      • Biobutanol (reemplaza a la gasolina).
      • Biodiesel (reemplaza al petrodiesel).
      • Éter dimetílico (reemplaza al petrodiesel).
      • Bioetanol y Biometanol (alcohol de madera) y otros biocombustibles (ver Vehículo de combustible flexible).
      • biogás
  • Hidrógeno (principalmente motores de cohetes de naves espaciales)

Incluso los polvos metálicos fluidizados y los explosivos han tenido algún uso. Los motores que utilizan gases como combustible se denominan motores de gas y los que utilizan hidrocarburos líquidos se denominan motores de aceite; sin embargo, los motores de gasolina también se denominan coloquialmente "motores de gas" ("motores de gasolina" fuera de América del Norte).

Las principales limitaciones de los combustibles son que debe ser fácilmente transportable a través del sistema de combustible a la cámara de combustión, y que el combustible libera suficiente energía en forma de calor durante la combustión para hacer un uso práctico del motor.

Los motores diésel son generalmente más pesados, ruidosos y potentes a velocidades más bajas que los motores de gasolina. También son más eficientes en combustible en la mayoría de las circunstancias y se utilizan en vehículos de carretera pesados, algunos automóviles (cada vez más por su mayor eficiencia de combustible en comparación con los motores de gasolina), barcos, locomotoras de ferrocarril y aviones ligeros. Los motores de gasolina se utilizan en la mayoría de los demás vehículos de carretera, incluidos la mayoría de los automóviles, motocicletas y ciclomotores. Tenga en cuenta que en Europa, los automóviles sofisticados con motor diésel se han apoderado de aproximadamente el 45% del mercado desde la década de 1990. También hay motores que funcionan con hidrógeno, metanol, etanol, gas licuado de petróleo (GLP), biodiesel, parafina y aceite de vaporización de tractores (TVO).

Hidrógeno

El hidrógeno podría eventualmente reemplazar a los combustibles fósiles convencionales en los motores de combustión interna tradicionales. Alternativamente, la tecnología de celdas de combustible puede llegar a cumplir su promesa y el uso de motores de combustión interna podría incluso eliminarse gradualmente.

Aunque existen múltiples formas de producir hidrógeno libre, esos métodos requieren convertir moléculas combustibles en hidrógeno o consumir energía eléctrica. A menos que la electricidad se produzca a partir de una fuente renovable, y no se requiera para otros fines, el hidrógeno no resuelve ninguna crisis energética. En muchas situaciones, la desventaja del hidrógeno, en relación con los combustibles de carbono, es su almacenamiento. El hidrógeno líquido tiene una densidad extremadamente baja (14 veces menor que el agua) y requiere un gran aislamiento, mientras que el hidrógeno gaseoso requiere un gran volumen de tanques. Incluso cuando está licuado, el hidrógeno tiene una energía específica más alta, pero el almacenamiento energético volumétrico sigue siendo aproximadamente cinco veces menor que la gasolina. Sin embargo, la densidad de energía del hidrógeno es considerablemente mayor que la de las baterías eléctricas, convirtiéndolo en un serio competidor como vector de energía para reemplazar los combustibles fósiles. El proceso de 'Hydrogen on Demand' (ver celda de combustible de borohidruro directo) crea hidrógeno según sea necesario, pero tiene otros problemas, como el alto precio del borohidruro de sodio que es la materia prima.

Oxidantes

Dado que el aire es abundante en la superficie de la tierra, el oxidante suele ser el oxígeno atmosférico, que tiene la ventaja de no estar almacenado dentro del vehículo. Esto aumenta las relaciones potencia-peso y potencia-volumen. Otros materiales se utilizan para fines especiales, a menudo para aumentar la potencia de salida o para permitir el funcionamiento bajo el agua o en el espacio.

  • El aire comprimido se ha utilizado comúnmente en torpedos.
  • El oxígeno comprimido, así como algo de aire comprimido, se utilizó en el torpedo japonés Tipo 93. Algunos submarinos llevan oxígeno puro. Los cohetes suelen utilizar oxígeno líquido.
  • El nitrometano se agrega a algunos combustibles de carreras y modelos para aumentar la potencia y controlar la combustión.
  • El óxido nitroso se ha utilizado, con gasolina adicional, en aviones tácticos y en automóviles especialmente equipados para permitir breves ráfagas de potencia adicional de motores que, de lo contrario, funcionan con gasolina y aire. También se utiliza en la nave espacial de cohetes Burt Rutan.
  • La energía de peróxido de hidrógeno estaba en desarrollo para los submarinos alemanes de la Segunda Guerra Mundial. Es posible que se haya utilizado en algunos submarinos no nucleares y se utilizó en algunos motores de cohetes (en particular, el Black Arrow y el caza cohete Messerschmitt Me 163).
  • Se han utilizado experimentalmente otros productos químicos como el cloro o el flúor, pero no se han encontrado prácticos.

Enfriamiento

Se requiere enfriamiento para eliminar el calor excesivo; las altas temperaturas pueden causar fallas en el motor, generalmente por desgaste (debido a fallas en la lubricación inducidas por altas temperaturas), grietas o deformaciones. Las dos formas más comunes de enfriamiento del motor son el enfriamiento por aire y el enfriamiento por agua. La mayoría de los motores de automóviles modernos se enfrían tanto con agua como con aire, ya que el agua/líquido refrigerante se transporta a las aletas y/o ventiladores enfriados por aire, mientras que los motores más grandes pueden enfriarse con agua singularmente, ya que están estacionarios y tienen un suministro constante de energía. agua a través de la red de agua o agua dulce, mientras que la mayoría de los motores de herramientas eléctricas y otros motores pequeños están refrigerados por aire. Algunos motores (enfriados por aire o por agua) también tienen un enfriador de aceite. En algunos motores, especialmente para el enfriamiento de los álabes del motor de turbina y el enfriamiento del motor de cohete líquido, se usa combustible como refrigerante,

Comenzando

Los motores de combustión interna deben tener sus ciclos iniciados. En los motores alternativos esto se logra girando el cigüeñal (Wankel Rotor Shaft) que induce los ciclos de admisión, compresión, combustión y escape. Los primeros motores se arrancaban con un giro de sus volantes, mientras que el primer vehículo (el Daimler Reitwagen) se arrancaba con una manivela. Todos los automóviles con motor ICE se arrancaban con manivelas hasta que Charles Kettering desarrolló el arranque eléctrico para automóviles. Este método es ahora el más utilizado, incluso entre los que no son automóviles.

A medida que los motores diesel se han vuelto más grandes y sus mecanismos más pesados, se han comenzado a utilizar los arrancadores neumáticos. Esto se debe a la falta de par en los arrancadores eléctricos. Los arrancadores de aire funcionan bombeando aire comprimido a los cilindros de un motor para que empiece a girar.

Los motores de los vehículos de dos ruedas pueden arrancar de una de cuatro maneras:

  • Pedaleando, como en bicicleta
  • Empujando el vehículo y luego accionando el embrague, lo que se conoce como "arranque rápido".
  • Al patear hacia abajo en un solo pedal, conocido como "arranque rápido"
  • Por un arranque eléctrico, como en los coches.

También hay arrancadores en los que un resorte se comprime mediante un movimiento de manivela y luego se usa para arrancar un motor.

Algunos motores pequeños utilizan un mecanismo de cuerda de tracción llamado "arranque de retroceso", ya que la cuerda se rebobina después de que se ha tirado para arrancar el motor. Este método se usa comúnmente en cortadoras de césped empujadas y otras configuraciones donde solo se necesita una pequeña cantidad de torque para hacer funcionar un motor.

Los motores de turbina son frecuentemente arrancados por un motor eléctrico o por aire comprimido.

Medidas del rendimiento del motor.

Los tipos de motores varían mucho en varias formas diferentes:

  • eficiencia energética
  • consumo de combustible/propulsor (consumo de combustible específico del freno para motores de eje, consumo de combustible específico de empuje para motores a reacción)
  • relación potencia-peso
  • relación de empuje a peso
  • curvas de par (para motores de eje), lapso de empuje (motores a reacción)
  • relación de compresión para motores de pistón, relación de presión general para motores a reacción y turbinas de gas

Eficiencia energética

Una vez encendidos y quemados, los productos de combustión (gases calientes) tienen más energía térmica disponible que la mezcla original de aire y combustible comprimido (que tenía una energía química más alta). Esta energía disponible se manifiesta como una temperatura y una presión más altas que el motor puede convertir en energía cinética. En un motor alternativo, los gases a alta presión dentro de los cilindros impulsan los pistones del motor.

Una vez que se ha eliminado la energía disponible, los gases calientes restantes se ventilan (a menudo abriendo una válvula o exponiendo la salida de escape) y esto permite que el pistón regrese a su posición anterior (punto muerto superior o TDC). Luego, el pistón puede pasar a la siguiente fase de su ciclo, que varía entre los motores. Cualquier energía térmica que no se traduce en trabajo normalmente se considera un producto de desecho y se elimina del motor mediante un sistema de refrigeración por aire o líquido.

Los motores de combustión interna se consideran motores térmicos (ya que la liberación de energía química en la combustión tiene el mismo efecto que la transferencia de calor al motor) y, como tal, su eficiencia teórica puede aproximarse mediante ciclos termodinámicos idealizados. La eficiencia térmica de un ciclo teórico no puede exceder la del ciclo de Carnot, cuya eficiencia está determinada por la diferencia entre las temperaturas de funcionamiento inferior y superior del motor. La temperatura de funcionamiento superior de un motor está limitada por dos factores principales; los límites de funcionamiento térmico de los materiales y la resistencia a la autoignición del combustible. Todos los metales y aleaciones tienen un límite de funcionamiento térmico y existe una importante investigación sobre materiales cerámicos que pueden fabricarse con mayor estabilidad térmica y propiedades estructurales deseables. Una mayor estabilidad térmica permite una mayor diferencia de temperatura entre las temperaturas de funcionamiento inferior (ambiente) y superior, por lo tanto, una mayor eficiencia termodinámica. Además, a medida que aumenta la temperatura del cilindro, el combustible se vuelve más propenso a la autoignición. Esto se produce cuando la temperatura del cilindro se acerca al punto de inflamación de la carga. En este punto, la ignición puede ocurrir espontáneamente antes de que se dispare la bujía, causando presiones excesivas en el cilindro. La autoignición se puede mitigar mediante el uso de combustibles con alta resistencia a la autoignición (índice de octanaje); sin embargo, aún establece un límite superior en la temperatura máxima permitida del cilindro. Esto se produce cuando la temperatura del cilindro se acerca al punto de inflamación de la carga. En este punto, la ignición puede ocurrir espontáneamente antes de que se dispare la bujía, causando presiones excesivas en el cilindro. La autoignición se puede mitigar mediante el uso de combustibles con alta resistencia a la autoignición (índice de octanaje); sin embargo, aún establece un límite superior en la temperatura máxima permitida del cilindro. Esto se produce cuando la temperatura del cilindro se acerca al punto de inflamación de la carga. En este punto, la ignición puede ocurrir espontáneamente antes de que se dispare la bujía, causando presiones excesivas en el cilindro. La autoignición se puede mitigar mediante el uso de combustibles con alta resistencia a la autoignición (índice de octanaje); sin embargo, aún establece un límite superior en la temperatura máxima permitida del cilindro.

Los límites termodinámicos asumen que el motor está operando en condiciones ideales: un mundo sin fricción, gases ideales, aisladores perfectos y operación por tiempo infinito. Las aplicaciones del mundo real introducen complejidades que reducen la eficiencia. Por ejemplo, un motor real funciona mejor con una carga específica, denominada banda de potencia. El motor de un automóvil que circula por una carretera generalmente funciona significativamente por debajo de su carga ideal, porque está diseñado para las cargas más altas requeridas para una aceleración rápida. Además, factores como la resistencia del viento reducen la eficiencia general del sistema. La economía de combustible del motor se mide en millas por galón o en litros por 100 kilómetros. El volumen de hidrocarburo supone un contenido energético estándar.

Incluso cuando cuentan con la ayuda de turbocompresores y ayudas de eficiencia de existencias, la mayoría de los motores conservan una eficiencia promedio de alrededor del 18 al 20 %. Sin embargo, las últimas tecnologías en motores de Fórmula Uno han visto un aumento en la eficiencia térmica de más del 50%. Hay muchas invenciones destinadas a aumentar la eficiencia de los motores IC. En general, los motores prácticos siempre se ven comprometidos por las compensaciones entre diferentes propiedades, como la eficiencia, el peso, la potencia, el calor, la respuesta, las emisiones de escape o el ruido. A veces, la economía también juega un papel importante no solo en el costo de fabricación del motor en sí, sino también en la fabricación y distribución del combustible. El aumento de la eficiencia del motor genera una mejor economía de combustible, pero solo si el costo del combustible por contenido de energía es el mismo.

Medidas de eficiencia de combustible y eficiencia de propulsor

Para los motores estacionarios y de eje, incluidos los motores de hélice, el consumo de combustible se mide calculando el consumo de combustible específico del freno, que mide el caudal másico del consumo de combustible dividido por la potencia producida.

Para los motores de combustión interna en forma de motores a reacción, la potencia de salida varía drásticamente con la velocidad del aire y se utiliza una medida menos variable: el consumo de combustible específico de empuje (TSFC), que es la masa de propulsor necesaria para generar impulsos que se mide en libras. fuerza-hora o los gramos de propulsor necesarios para generar un impulso que mide un kilonewton-segundo.

Para cohetes, se puede usar TSFC, pero normalmente se usan otras medidas equivalentes, como el impulso específico y la velocidad de escape efectiva.

Contaminación del aire y acústica

La contaminación del aire

Los motores de combustión interna, como los motores alternativos de combustión interna, producen emisiones contaminantes del aire debido a la combustión incompleta del combustible carbonoso. Los principales derivados del proceso son el dióxido de carbono CO2, agua y algo de hollín, también llamado material particulado (PM). Los efectos de la inhalación de partículas se han estudiado en humanos y animales e incluyen asma, cáncer de pulmón, problemas cardiovasculares y muerte prematura. Sin embargo, existen algunos productos adicionales del proceso de combustión que incluyen óxidos de nitrógeno y azufre y algunos hidrocarburos no quemados, dependiendo de las condiciones de operación y la relación aire-combustible.

Las emisiones de dióxido de carbono de los motores de combustión interna contribuyen al cambio climático inducido por el hombre. El aumento de la eficiencia de combustible del motor puede reducir, pero no eliminar, la cantidad de CO2emisiones a medida que la combustión de combustible a base de carbono produce CO2. Desde la eliminación de CO2del escape del motor no es práctico, hay un interés creciente en las alternativas. Los combustibles sostenibles como los biocombustibles, los combustibles sintéticos y los motores eléctricos alimentados por baterías son ejemplos.

No todo el combustible se consume por completo en el proceso de combustión. Una pequeña cantidad de combustible está presente después de la combustión y parte reacciona para formar compuestos oxigenados, como formaldehído o acetaldehído, o hidrocarburos que no estaban originalmente presentes en la mezcla de combustible de entrada. La combustión incompleta generalmente resulta de oxígeno insuficiente para lograr la relación estequiométrica perfecta. La llama es "apagada" por las paredes del cilindro relativamente frías, dejando combustible sin reaccionar que se expulsa con el escape. Cuando se opera a velocidades más bajas, el enfriamiento se observa comúnmente en los motores diesel (encendido por compresión) que funcionan con gas natural. El enfriamiento reduce la eficiencia y aumenta la detonación, lo que a veces hace que el motor se pare. La combustión incompleta también conduce a la producción de monóxido de carbono (CO). Otros productos químicos liberados son benceno y 1,

El aumento de la cantidad de aire en el motor reduce las emisiones de productos de combustión incompleta, pero también promueve la reacción entre el oxígeno y el nitrógeno en el aire para producir óxidos de nitrógeno (NOx). El NO x es peligroso tanto para la salud de las plantas como para la de los animales y conduce a la producción de ozono (O 3). El ozono no se emite directamente; más bien, es un contaminante secundario del aire, producido en la atmósfera por la reacción de NO xy compuestos orgánicos volátiles en presencia de la luz solar. El ozono troposférico es perjudicial para la salud humana y el medio ambiente. Aunque es la misma sustancia química, el ozono troposférico no debe confundirse con el ozono estratosférico o la capa de ozono, que protege la tierra de los dañinos rayos ultravioleta.

Los combustibles de carbono contienen azufre e impurezas que eventualmente producen monóxidos de azufre (SO) y dióxido de azufre (SO 2) en el escape, lo que promueve la lluvia ácida.

En los Estados Unidos, los óxidos de nitrógeno, las partículas, el monóxido de carbono, el dióxido de azufre y el ozono están regulados como contaminantes atmosféricos de criterio en virtud de la Ley de Aire Limpio a niveles en los que se protege la salud y el bienestar humanos. Otros contaminantes, como el benceno y el 1,3-butadieno, están regulados como contaminantes atmosféricos peligrosos cuyas emisiones deben reducirse tanto como sea posible en función de consideraciones tecnológicas y prácticas.

El NO x, el monóxido de carbono y otros contaminantes se controlan con frecuencia a través de la recirculación de gases de escape, que devuelve parte del escape a la entrada del motor, y convertidores catalíticos, que convierten los productos químicos de escape en productos químicos inocuos.

Motores no de carretera

Los estándares de emisión utilizados por muchos países tienen requisitos especiales para los motores que no son de carretera que se utilizan en equipos y vehículos que no funcionan en las vías públicas. Los estándares están separados de los vehículos de carretera.

La contaminación acústica

Los motores de combustión interna contribuyen significativamente a la contaminación acústica. El tráfico de automóviles y camiones que operan en carreteras y sistemas de calles produce ruido, al igual que los vuelos de aeronaves debido al ruido de los aviones, en particular las aeronaves con capacidad supersónica. Los motores de cohetes crean el ruido más intenso.

De marcha en vacío

Los motores de combustión interna continúan consumiendo combustible y emitiendo contaminantes cuando están en ralentí, por lo que es deseable mantener al mínimo los períodos de ralentí. Muchas compañías de autobuses ahora instruyen a los conductores para que apaguen el motor cuando el autobús está esperando en una terminal.

En Inglaterra, las Regulaciones de sanciones fijas por emisiones de vehículos de tránsito de 2002 (Instrumento legal 2002 No. 1808) introdujeron el concepto de " infracción por ralentí estacionario ". Esto significa que a un conductor se le puede ordenar " por una persona autorizada... previa presentación de la prueba de su autorización, exigirle que detenga el motor de ese vehículo " y una " persona que no cumpla... será culpable de un delito y será pasible en sentencia sumaria de una multa que no exceda el nivel 3 en la escala estándar ". Solo unas pocas autoridades locales han implementado las regulaciones, una de ellas es el Ayuntamiento de Oxford.

En muchos países europeos, el ralentí está, de forma predeterminada, desactivado por los sistemas de arranque y parada.

Formación de dióxido de carbono

Una buena manera de estimar la masa de dióxido de carbono que se libera cuando se quema un litro de combustible diesel (o gasolina) se puede encontrar de la siguiente manera:

Como buena aproximación, la fórmula química del diesel es CnorteH2n. Tenga en cuenta que, en realidad, el diesel es una mezcla de diferentes moléculas. Como el carbono tiene una masa molar de 12 g/mol y el hidrógeno (atómico) tiene una masa molar de alrededor de 1 g/mol, la fracción en peso de carbono en el diésel es de aproximadamente 12 ⁄ 14.

La reacción de la combustión del diésel viene dada por:

2C _norteH2n+ 3nO2⇌ 2nCO2+ 2nH2O

El dióxido de carbono tiene una masa molar de 44 g/mol ya que consta de 2 átomos de oxígeno (16 g/mol) y 1 átomo de carbono (12 g/mol). Entonces, 12 g de carbono producen 44 g de dióxido de carbono.

El diésel tiene una densidad de 0,838 kg por litro.

Poniendo todo junto, la masa de dióxido de carbono que se produce al quemar 1 litro de diesel se puede calcular como:

{displaystyle 0,838 kg/Lcdot {frac {12}{14}}cdot {frac {44}{12}}=2,63 kg/L}

La cifra obtenida con esta estimación se acerca a los valores encontrados en la literatura.

Para la gasolina, con una densidad de 0,75 kg/L y una relación de átomos de carbono a hidrógeno de aproximadamente 6 a 14, el valor estimado de las emisiones de carbono al quemar 1 litro de gasolina es:

{displaystyle 0,75 kg/Lcdot {{frac {6cdot 12}{6cdot 12+14}}cdot 1}cdot {frac {44}{12}}=2,3 kg/L}

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