MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
(MOTOR DE CUATRO CARRERAS ENCENDIDO POR CHISPA)
Han transcurrido unos setenta años, desde que el motor de combustión interna hizo su primera proclama como una fuente de energía. Durante estos años, el motor de combustión ha reemplazado con largueza al motor de vapor y en la actualidad, solamente la turbina de vapor es comparable con él. El progreso del mundo ha sido influido en gran parte por este tipo de motor. Actualmente, la construcción de motores de combustión para automóviles, lanchas. Aeroplanos y trenes, lo mismo que para pequeñas plantas de energía, constituye una de la más grandes industrias en el mundo.
En un motor de combustión externa, los productos de la combustión del aire y el combustible, le transfieren calor a un segundo fluido, el cual se convierte en un fluido motriz. En el motor de combustión interna, los productos de la combustión son, directamente, el fluido motriz. Debido a este rasgo simplificador y al alto rendimiento térmico resultante, motor de combustión es una de las unidades generadoras de trabajo más ligeras (en peso) que se conocen y, por lo mismo, su mayor campo de aplicación es, en la transportación.
En esta primera parte se describen los tipos y el funcionamiento de los motores de combustión y los componentes de los diferentes motores.
Motor de cuatro carreras encendido por chispa (ECH). La mayoría de los motores de combustión interna, utilizan el principio del émbolo reciprocante, mostrado en la figura 1, según el cual, un émbolo se desliza dentro de un cilindro, hacia atrás y hacia delante y transmite fuerza a la flecha motriz, por lo general mediante un simple mecanismo de biela (pieza que en una maquinaria sirve para transformar un movimiento de vaivén en otro de rotación, o viceversa) y manivela. En 1862 Beau de Rochas propuso la secuencia del funcionamiento para el motor del émbolo reciprocante, que aun hoy en día es típica de la generalidad de los motores encendidos por chispa (ECH) y que es:
- Una carrera (tiempo) de admisión para inducir una mezcla combustible hacia el interior del cilindro del motor.
- Una carrera de compresión, para elevar la temperatura de la mezcla.
- al final de la carrera de compresión, ocurre la chispa y el encendido consecuente de la mezcla homogénea, liberando energía que aumenta la temperatura y la presión de los gases; en seguida desciende el émbolo en la carrera de expansión.
- Una carrera de escape, para barrer el cilindro, dejándolo libre de los gases quemados.
En 1876, Otto, un ingeniero alemán, aprovechando el principio de Beau de Rochas, construyó un motor con ciclo de trabajo de cuatro carreras que resultó muy afortunado, habiéndose conocido el ciclo de sucesos, como ciclo Otto.
En todos los motores de émbolo (pieza que se mueve de un lado a otro en el interior de una maquina) reciprocante, este llega necesariamente a una completa inmovilidad, en dos posiciones particulares del cigüeñal, antes de invertir la dirección de su movimiento. Cuando el émbolo ha pasado del límite inferior de su carrera; se le llama punto muerto inferior. Existe una posición muerta semejante, o etapa sin movimiento del émbolo en el instante en que llega al punto muerto superior. Debido a esta posición muerta la combustión de la mezcla en el motor Otto ocurre prácticamente a volumen constante. En vista de que la carrera de potencia sólo existe en una parte del tiempo total del ciclo, se emplea un volante para hacer uniformes dichos impulsos, obteniendo así, inicialmente, una rotación uniforme del cigüeñal.
Control de la velocidad y de la carga en los motores ECH. Como una chispa puede encender solamente a una mezcla de combustión, si se desea que la llama se propague a través de ella, deberán de estar presentes en toda la cámara de combustión, las cantidades de aire y combustible en una proporción razonablemente definida (y homogénea) (aproximadamente 15 partes de aire por una de combustible, en peso). Un carburador, es el medio usual para obtener la relación aire-combustible. En la figura 2 se ilustran las partes básicas de un carburador simple: un vénturi, una tobera para combustible con orificios medidos, un recipiente para combustible en la cámara del flotador, un acelerador y un ahogador. Cuando el émbolo desciende en la carrera de admisión, aspira aire a través del vénturi, aire que está a la presión atmosférica, aproximadamente. Debido al pequeño diámetro de la garganta del vénturi, aumenta la velocidad del aire y por lo mismo disminuye su presión. Pero la presión en el extremo de la tobera, también es menor que la presión (atmosférica) dentro de la cámara del flotador. Por esta diferencia de presiones, el combustible es pulverizado dentro de la corriente de aire, en una cantidad tal, que es determinada por el tamaño del orificio medidor. Nótese que si aumenta la velocidad del motor, aumenta la cantidad de aire aspirado a través del vénturi y, por lo mismo, se crea mayor caída de presión y proporcionalmente se pulveriza mayor cantidad de combustible, en el seño de la corriente de aire. En consecuencia, un carburador es hábil para mantener una relación aproximadamente constante, entre el aire y el combustible, en toda la amplitud de velocidades posibles del motor.
El esfuerzo del giro aplicado al cigüeñal, depende de la masa de la mezcla quemada en cada cilindro, por ciclo, y se controla, restringiendo la cantidad de mezcla (pero no necesariamente la relación aire-combustible), que entra al cilindro en la carrera de admisión. Esto se consigue mediante el empleo, en el carburador, de una válvula llamada estrangulador o acelerador, para obstruir el paso hacia el múltiple de admisión. En la carrera de admisión, si el acelerador esta casi cerrado, entrará al cilindro solamente una pequeña cantidad de mezcla y la presión dentro de él estará muy debajo de la atmosférica, con las correspondientes presiones de compresión y combustión también bajas. La velocidad resultante del motor será lenta y si el cigüeñal no está acoplado a una carga externa, se dice que el motor está en vacío. Cuando el acelerador se abre gradualmente; la velocidad del motor irá aumentando, hasta un valor determinado por la carga externa acoplado a la flecha motriz. ( La carga es un freno opuesto a la rotación de la flecha y puede ser suministrada, por ejemplo, por la resistencia de las ruedas motrices de un vehículo sobre la carretera o bien, por la resistencia de una hélice girando en el agua o en el aire). Por lo tanto, la velocidad del motor se controla mediante las posiciones del estrangulador o acelerador, y también, por la magnitud de la carga. Puede mantenerse una velocidad definida, variando la posición del estrangulador con relación a la carga; o pueden obtenerse diferentes velocidades manteniendo constante al posición del estrangulador y haciendo variaciones en la carga.
El ahogador permite al motor recibir una cantidad adicional de combustible para el arranque, cuando está frío. Nótese que al cerrar el ahogador, la succión del motor se ejerce directamente en la tobera del combustible, mientras que se restringe la entrada del aire.
Partes del motor. Las partes del motor de combustión se construyen de diferentes materiales, se analizarán brevemente las funciones que realizan.
Conjunto de los cilindros. Los cilindros se mantienen en posición fija mediante el bloque de cilindros el cual, en los motores pequeños, forma una sola pieza con el cárter para obtener mayor rigidez. Esta estructura se hace generalmente de hierro fundido aun cuando en algunos casos se forma mediante placas de acero soldadas. Los ductos pueden ser hechos mediante corazones en el bloque al fundirlo y sirven para distribuir la lubricación a presión hasta los cojinetes principales. Para vehículos de placer, o de bajo costo los cilindros se taladran y asientan (rectifican) directamente en el bloque, siendo seguido este método en los motores de aviación con objeto de reducir su peso. Para motores de trabajo pesado se instalan forros que pueden reemplazarse cuando se desgastan. Dichos forros pueden ser húmedos o secos.
El cigüeñal es, generalmente, una pieza de acero forjado, sin embargo el advenimiento de cigüeñales largos y rígidos en motores multicilíndricos con esfuerzos relativamente bajos, permiten emplear el hierro fundido como sustituto, con objeto de reducir costos. El cigüeñal se apoyo en los cojinetes (piza hueca en la que se apoya y gira el eje de un mecanismo) principales; en los motores de servicio pesado, el número de cojinetes principales es igual al número de cilindros mas uno. Después de la parte concéntrica del cigüeñal sigue el muñón que conecta al cojinete de la biela. Los cojinetes de las bielas y los principales son suplementos reemplazables con la parte posterior de acero o de bronce, cobre-plomo o aleaciones de cadmio usadas frecuentemente como materiales antifricción.
Un depósito para aceite de acero estampado sella el conjunto del bloque y sirve como colector de aceite o recipiente para el aceite lubricante. Una varilla medidora resulta un buen recurso para comprobar el nivel de aceite.
Conjunto de émbolos y las bielas. El émbolo se construye de aluminio, acero fundido o hierro siendo su función principal la de transmitir a la biela la fuerza originada en el proceso de combustión. Al realizar esto, las posiciones angulares de la biela permiten que se ejerza un esfuerzo considerable en un lado de las paredes del cilindro y este empuje es creado por el faldón del émbolo, esto es, la sección debajo de los anillos. No deja de ser común en los motores para altas velocidades cortar el faldón por debajo del pasador del émbolo obteniendo un émbolo de patín.
El émbolo se provee de cuando menos tres anillos. Los anillos superiores se llaman anillos de compresión porque su función es la de detener los gases a alta presión dentro del cilindro y evitar en esa forma el escape de ellos hacia el interior del cárter en las carreras de compresión y de potencia. El anillo inferior generalmente es el controlador del aceite. El objeto de este anillo es el de quitar el aceite sobrante de la pared del cilindro y transferirlo a través de las ranuras en el anillo hasta los agujeros del drenaje en el émbolo que permiten al aceite regresar al depósito.
Cuando un vehículo automotriz está en movimiento, la corriente de aire que se desliza por el tubo aspirante induce un vacío y así crea un flujo de aire desde la cámara de las válvulas y el cárter. El aire fresco es admitido al motor por el respiradero o tubo para surtir aceite. En esta forma se ventila el cárter eliminando los gases y el vapor de agua que invariablemente se colectan en esta región.
La biela de acero forjado, con sección de viga en I, une al émbolo y al cigüeñal. Puede tener un taladro a todo lo largo para conducir el aceite lubricante desde el cojinete de la biela hasta el perno del émbolo o puede tener un pequeño agujero colocado para atomizar aceite en el pasador del émbolo igualmente que el árbol de levas y a las partes del cilindro. En los motores de servicio pesado la práctica común es conducir el aceite a través del tablero de la biela y luego atomizarlo contra el lado interior de la cabeza del émbolo. En esta forma se reduce grandemente la temperatura de los anillos y se obtiene una lubricación mejor.
Mecanismo de las válvulas. El mecanismo completo consta de un árbol de levas que es movido por el cigüeñal mediante engranes o con una cadena de tiempo. Cada válvula en el motor es accionada por una leva por separado. La leva levanta la puntería (que es un miembro importante introducido para absorber el empuje impuesto por la leva) y en los motores con cabeza en L la puntería queda en contacto directamente con la válvula. La válvula es obligada a seguir el movimiento de la leva mediante el resorte de las válvulas (siendo común emplear dos resortes). En los motores de cabeza en I se requieren otros eslabones adicionales como son: un levanta válvulas tubular y un balancín. Se mantiene un pequeño juego en el conjunto de la válvula mediante un ajuste en la puntería o en el balancín.
La válvula de admisión se hace una aleación de acero al cromo - níquel, en tanto que la válvula que es menor y que trabaja a temperaturas más elevadas (aproximadamente 660º C) (1200º F) se hace de una aleación de cromosilicio. La válvula de escape realiza un trabajo particularmente severo porque se abre cuando los gases de la combustión están arriba de 1600º C y esta corriente de gas caliente pasa por su cara.
Lubricación. Los motores modernos son lubricados ya sea mediante un sistema de circulación alimentado a presión o mediante una combinación de alimentación a presión y salpicadura. En un sistema completamente a presión, el aceite se pasa por un filtro antes de pasar a la bomba de aceite que es movida por el árbol de levas. El aceite proveniente de la bomba se divide en dos o más flujos; uno de ellos entra al filtro y regresa al depósito de aceite, un segundo flujo va hasta los cojinetes principales y mediante conductos taladrados a través de los brazos del cigüeñal hasta los cojines de las balas, un tercer flujo continúa hasta los cojinetes del cigüeñal; puede llegar un cuarto flujo a una flecha hueca que soporta los balancines, de ahí a los cojinetes de ellos y la junta de los balancines y el levantaválvulas. El aceite que escurre por el levantaválvulas lubrica las punterías y las levas. Las paredes del cilindro reciben suficiente aceite de los sobrantes por exceso provenientes de los cojinetes de las bielas. Por esto, un cojinete de biela flojo puede sobrecargar a los anillos que controlan el aceite, como para que surja una falla de la bujía.
En vista que es costoso el barrenado del cigüeñal y las bielas se pueden colocar debajo de cada biela artesas que se mantendrán llenas de aceite provenientes de la bomba.
Encendido. El sistema de encendido consta de un acumulador, una bobina de encendido, un distribuidor con levas y platinos y una bujía para cada cilindro. En el motor de cuatro carreras se requiere una revolución completa del cigüeñal por cada ciclo. Por esta razón deberá haber un chispazo en cada cilindro a intervalos de 720º de giro del cigüeñal. para garantizar esta secuencia, el distribuidor se mueve mediante el árbol de levas a la misma velocidad obteniéndose una revolución del distribuidor por cada dos revoluciones del cigüeñal (para un ciclo de dos carreras el distribuidor deberá moverse a la velocidad del motor. En la flecha del distribuidor, debajo de esta se encuentra una leva con un lóbulo por separado para cada bujía. A medida que gira la flecha del distribuidor, los platinos son separados por uno de los lóbulos de la leva siendo interrumpida la corriente que proviene del acumulador y pasa por la bobina. Debido a esta interrupción se induce un alto voltaje en la bobina. Este potencial es enviado al contacto central de la tapa del distribuidor y de ahí a la bujía conveniente. Debido a los muchos lóbulos de la leva pueden inducirse una serie de impulsos eléctricos correctamente sincronizados, que son luego dirigidos por el distribuidor hacia los diferentes cilindros.
Referencias bibliográficas
Obert, Edward,(2002), tipos básicos de motores y su funcionamiento, traducido por Cristobal monsivais Lara, México, editorial continental.
