Un motor de combustión interna ( motor ICE o IC ) es un motor térmico en el que la combustión de un combustible se produce con un oxidante (generalmente aire) en una cámara de combustión que es parte integral del circuito de flujo del fluido de trabajo . En un motor de combustión interna, la expansión de los gases de alta temperatura y alta presión producidos por la combustión aplica fuerza directa a algún componente del motor. La fuerza se aplica normalmente a pistones ( motor de pistón ), álabes de turbina ( turbina de gas ), un rotor (motor Wankel) o una boquilla ( motor a reacción ). Esta fuerza mueve el componente a distancia, transformando la energía química en energía cinética que se utiliza para propulsar, mover o alimentar cualquier cosa a la que esté conectado el motor.
El primer motor de combustión interna comercialmente exitoso fue creado por Étienne Lenoir alrededor de 1860, [1] 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 suele referirse a un motor en el que la combustión es intermitente , como los más familiares motores de pistón de dos y cuatro tiempos , 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 motores de cohetes , cada uno de los cuales son motores de combustión interna según el mismo principio descrito anteriormente. [1] [2] ( Las armas de fuego también son una forma de motor de combustión interna, [2] aunque de un tipo tan especializado que comúnmente se tratan como una categoría separada, junto con armas 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, no está mezclado ni contaminado por ellos. Los fluidos de trabajo para motores de combustión externa incluyen aire, agua caliente, agua a presión o incluso sodio líquido calentado por caldera .
Si bien existen 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 suelen funcionar con combustibles a base de hidrocarburos como gas natural , gasolina , diésel o etanol . Los combustibles renovables como el biodiesel se utilizan en motores de encendido por compresión (CI) y el bioetanol o ETBE (éter etil terc-butílico) 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 maní para hacer funcionar sus motores. [3] Los combustibles renovables suelen mezclarse con combustibles fósiles. El hidrógeno , que rara vez se utiliza, puede obtenerse a partir de combustibles fósiles o de energías renovables.
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 gasolina . También en 1794, Robert Street patentó un motor de combustión interna, que también fue el primero en utilizar combustible líquido , y construyó un motor por 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 ejecutaron un prototipo de motor de combustión interna, utilizando explosiones de polvo controladas, el piréolóforo , al que Napoleón Bonaparte le concedió una patente . Este motor impulsaba un barco en el río Saona en Francia. [4] [5] Ese mismo año, el ingeniero suizo François Isaac de Rivaz inventó un motor de combustión interna a base de hidrógeno y lo impulsó mediante chispa eléctrica. En 1808, De Rivaz instaló su invento en un vehículo de trabajo primitivo: "el primer automóvil del mundo propulsado por combustión interna". [6] En 1823, Samuel Brown patentó el primer motor de combustión interna de aplicación industrial.
En 1854 en el Reino Unido, los inventores italianos Eugenio Barsanti y Felice Matteucci obtuvieron la certificación: "Obtención de potencia motriz mediante la 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 potencia motriz a partir de gases". [7] [8] [9] [10] Barsanti y Matteucci obtuvieron otras patentes para la misma invención en Francia, Bélgica y Piamonte entre 1857 y 1859. [11] [12] En 1860, el ingeniero belga Jean Joseph Etienne Lenoir produjo un Motor de combustión interna alimentado con gas. [13] 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 y patentó el motor de cuatro tiempos de carga comprimida. En 1879, Karl Benz patentó un fiable motor de gasolina de dos tiempos . Posteriormente, 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 un chasis formaban una sola unidad. [14] En 1892, Rudolf Diesel desarrolló el primer motor de encendido por compresión y 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 .
Hubo un tiempo en que la palabra máquina (vía francés antiguo , del latín ingenium , "capacidad") significaba cualquier pieza de maquinaria , sentido que persiste en expresiones como máquina de asedio . Un "motor" (del latín motor , "motor") es cualquier máquina que produce potencia mecánica . Tradicionalmente, los motores eléctricos no se denominan "motores"; sin embargo, los motores de combustión suelen denominarse "motores". (Un motor eléctrico se refiere a una locomotora operada por electricidad).
En la navegación, un motor de combustión interna que se instala en el casco se denomina motor, pero los motores que se ubican en el espejo de popa se denominan motores. [15]
Los motores de pistón alternativo son, con diferencia, la fuente de energía más común para vehículos terrestres y acuáticos , incluidos automóviles , motocicletas , barcos y, en menor medida, locomotoras (algunas son eléctricas pero la mayoría utiliza motores diésel [16] [17] ). Los motores rotativos del diseño Wankel se utilizan en algunos automóviles, aviones y motocicletas. Estos se conocen colectivamente como vehículos con motor de combustión interna (ICEV). [18]
Cuando se requieren altas relaciones potencia-peso, los motores de combustión interna aparecen en forma de turbinas de combustión o, a veces, motores Wankel. Los aviones propulsados suelen utilizar un ICE, que puede ser un motor alternativo. En cambio, los aviones pueden utilizar motores a reacción y los helicópteros pueden emplear 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 se instalan 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 los gases de escape a alta temperatura para hervir y sobrecalentar el vapor de agua para hacer funcionar una turbina de vapor . Por tanto, la eficiencia es mayor porque se extrae más energía del combustible de la que podría extraer el motor de combustión por sí solo. Las centrales eléctricas de ciclo combinado alcanzan eficiencias del orden del 50% al 60%. En menor escala, los motores estacionarios , como los de gasolina o los generadores diésel, se utilizan como respaldo o para proporcionar energía eléctrica a áreas no conectadas a una red eléctrica .
Los motores pequeños (generalmente motores de gasolina de 2 tiempos) son una fuente de energía común para cortadoras de césped , cortadoras de hilo , motosierras , sopladores de hojas , lavadoras a presión , motos de nieve , motos acuáticas , motores fuera de borda , ciclomotores y motocicletas .
Hay varias formas posibles de clasificar los motores de combustión interna.
Por número de golpes:
Por tipo de encendido:
Por ciclo mecánico/termodinámico (estos ciclos se utilizan con poca frecuencia, pero se encuentran comúnmente en vehículos híbridos , junto con otros vehículos fabricados para ahorrar combustible [20] ):
La base de un motor de combustión interna alternativo es el bloque motor , que típicamente está hecho de hierro fundido (debido a su buena resistencia al desgaste y bajo costo) [22] o aluminio . En este último caso, las camisas de los cilindros están hechas de hierro fundido o acero, [23] o de un revestimiento como nikasil o alusil . El bloque del motor contiene los cilindros . En los motores de más de un cilindro suelen estar dispuestos ya sea en 1 fila ( motor recto ) o en 2 filas ( motor bóxer o motor en V ); Ocasionalmente se utilizan 3 o 4 filas ( motor W ) en los motores contemporáneos, y son posibles y se han utilizado otras configuraciones de motor . Los motores de un solo cilindro (o golpeadores ) son comunes en motocicletas y otros motores pequeños que se encuentran en maquinaria liviana. En el lado exterior del cilindro, los conductos que contienen líquido refrigerante están moldeados 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 ser reemplazadas. [22] Los motores refrigerados por agua contienen conductos en el bloque del motor por donde circula el líquido refrigerante (la camisa de agua ). Algunos motores pequeños están enfriados por 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 terminarse mediante bruñido para obtener un rayado en cruz , 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 de 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, normalmente están hechos de hierro fundido. [22] En aplicaciones de rendimiento, los pistones también pueden ser de titanio o acero forjado para mayor resistencia. La superficie superior del pistón se llama corona y suele ser plana o cóncava. Algunos motores de dos tiempos utilizan pistones con cabeza deflectora . Los pistones están abiertos en la parte inferior y huecos excepto por una estructura de refuerzo integral (la alma del pistón). Cuando un motor está en funcionamiento, 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 principalmente evitan que los gases se filtren al cárter o el aceite a la cámara de combustión. [24] Un sistema de ventilación expulsa del cárter la pequeña cantidad de gas que escapa por los pistones durante el funcionamiento normal (los gases de escape) para que no se acumule contaminando el aceite y creando corrosión. [22] En los motores de gasolina de dos tiempos, el cárter es parte del camino aire-combustible y, debido al flujo continuo del mismo, los motores de dos tiempos no necesitan un sistema de ventilación del cárter separado.
La culata está sujeta al bloque del motor mediante numerosos pernos o espárragos . Tiene varias funciones. La culata sella los cilindros en el 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 con 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; en cambio, el pistón controla su apertura y oclusión. La culata también aloja la bujía en el caso de los motores de encendido por chispa y el inyector en el caso de los motores que utilizan inyección directa. Todos los motores CI (encendido por compresión) utilizan inyección de combustible, generalmente inyección directa, pero algunos motores utilizan inyección indirecta . Los motores SI (encendido por chispa) pueden utilizar un carburador o inyección de combustible como inyección por 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 utiliza resortes. El árbol de levas puede presionar directamente el vástago de la válvula o puede actuar sobre un balancín , nuevamente, ya sea directamente o a 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 volver a ciclarlo. La cavidad creada entre el bloque de cilindros y el cárter alberga un cigüeñal que convierte el movimiento alternativo de los pistones en movimiento de rotación. El cigüeñal se mantiene en su lugar con respecto al 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 gorra desmontable. En algunos casos se utiliza una sola plataforma de soporte principal en lugar de varias tapas más pequeñas. Una biela está conectada a secciones desplazadas del cigüeñal (las muñequillas ) en un extremo y al pistón en el otro extremo a través del pasador y así 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 extremo pequeño, y el otro extremo, donde está conectado al cigüeñal, extremo grande. La biela tiene una mitad desmontable para permitir el montaje alrededor del cigüeñal. Se mantiene unido a la biela mediante pernos extraíbles.
La culata tiene un colector de admisión y un colector de escape unidos a los puertos correspondientes. El colector de admisión se conecta directamente al filtro de aire , o a un carburador cuando hay uno presente, 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 . El último tramo en el recorrido de los gases de escape es el tubo de escape .
El punto muerto superior (TDC) de un pistón es la posición más cercana a las válvulas; El punto muerto inferior (BDC) es la posición opuesta donde está más alejada de ellos. Una carrera es el movimiento de un pistón desde el PMS al PMI 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 tiempos por revolución del cigüeñal en el siguiente orden. Comenzando la descripción en TDC, estos son: [25] [26]
La característica que define a este tipo de motor es que cada pistón completa un ciclo en cada revolución del cigüeñal. Los 4 procesos de admisión, compresión, potencia y escape se realizan en sólo 2 tiempos por lo que no es posible dedicar un golpe exclusivamente a cada uno de ellos. A partir de TDC el ciclo consta de:
Mientras que un motor de 4 tiempos usa el pistón como bomba de desplazamiento positivo para lograr la limpieza 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 la admisión y el escape combinados. . El trabajo necesario para desplazar los gases de carga y de escape proviene del cárter o de un ventilador independiente. Para la eliminación, expulsión de gas quemado y entrada de mezcla nueva, se describen dos enfoques principales: eliminación en bucle y eliminación en Uniflow. Las noticias de SAE publicadas en la década de 2010 indicaban que 'Loop Scavenging' es mejor bajo cualquier circunstancia que Uniflow Scavenging. [19]
Algunos motores SI tienen limpieza del cárter y no utilizan 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 giratorio impulsada 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 pistón abre y cierra los puertos de transferencia y escape. 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 ingrese al cilindro a través del puerto de transferencia, expulsando los gases de escape. La lubricación se logra agregando aceite de dos tiempos al combustible en pequeñas proporciones. Petroil se refiere a la mezcla de gasolina con el petróleo antes mencionado. Este tipo de motor de 2 tiempos tiene una eficiencia menor que los motores de 4 tiempos comparables y libera gases de escape más contaminantes en las siguientes condiciones:
La principal ventaja de los motores de 2 tiempos de este tipo es la simplicidad mecánica y una mayor relación potencia-peso que sus homólogos de 4 tiempos. A pesar de tener el doble de potencia por ciclo, en la práctica se puede alcanzar menos del doble de potencia que un motor de 4 tiempos comparable.
En Estados Unidos se prohibieron los motores de dos tiempos en los vehículos de carretera debido a la contaminación. Las motocicletas todoterreno siguen siendo a menudo de 2 tiempos, pero rara vez son legales en circulación. Sin embargo, se utilizan miles de motores de mantenimiento de césped de 2 tiempos. [ cita necesaria ]
El uso de un soplador separado evita muchos de los inconvenientes 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 utiliza puertos o válvulas para la admisión y válvulas para el escape, excepto los motores de pistones opuestos , que también pueden utilizar puertos 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 ocasionalmente se ha utilizado en motores SI.
Los motores CI que utilizan un soplador suelen utilizar barrido uniflow . En este diseño, la pared del cilindro contiene varios puertos de admisión colocados uniformemente espaciados a lo largo de la circunferencia justo encima de la posición que alcanza la corona 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 colector 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 remolino a la carga entrante para 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 diésel 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 diésel-eléctricas funcionan con un ciclo de 2 tiempos. Los más potentes tienen una potencia de frenado de aproximadamente 4,5 MW o 6.000 CV . La clase de locomotoras EMD SD90MAC es un ejemplo de ello. El modelo comparable GE AC6000CW , cuyo motor tiene casi la misma potencia de frenado, utiliza un motor de 4 tiempos.
Un ejemplo de este tipo de motor es el diésel turboalimentado de 2 tiempos Wärtsilä-Sulzer RTA96-C , utilizado en grandes buques portacontenedores. Es el motor de combustión interna alternativo más eficiente y potente del mundo con una eficiencia térmica superior al 50%. [27] [28] [29] A modo de comparación, los motores pequeños de cuatro tiempos más eficientes tienen alrededor del 43% de eficiencia térmica (SAE 900648); [ cita necesaria ] el tamaño es una ventaja para la eficiencia debido al aumento en la relación entre volumen y superficie.
Consulte los enlaces externos para ver un vídeo sobre la combustión en cilindros en un motor de motocicleta de 2 tiempos con acceso óptico.
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. [19]
En 1899 , John Day simplificó el diseño de Clerk al tipo de motor de 2 tiempos que se utiliza ampliamente en la actualidad. [30] Los motores de ciclo diurno son limpiados del cárter y sincronizados en 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 mueve desde el PMI hacia arriba (hacia la cabeza), 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 láminas o una válvula de disco giratorio (impulsada por el motor). Hay conductos fundidos desde el cárter hasta el puerto del 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 se introduciría combustible en el cilindro ya que el cárter estaba vacío. En la carrera descendente, el pistón ahora comprime la mezcla de combustible, lo que ha lubricado el pistón en el cilindro y los cojinetes debido a que a la mezcla de combustible se le ha agregado aceite. A medida que el pistón se mueve hacia abajo, primero descubre el escape, pero en la primera carrera no hay combustible quemado para escapar. A medida que el pistón se mueve 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 para cerrar el puerto, los primeros motores usaban un pistón abovedado alto para ralentizar el flujo de combustible. Más tarde, el combustible volvió a "resonar" en el cilindro utilizando un diseño de cámara de expansión. Cuando el pistón se acercó al PMS, 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 se expulsa 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 portabilidad ideado por la empresa Deutz para mejorar el rendimiento. Se llamó sistema Schnurle Reverse Flow . DKW obtuvo la licencia de este diseño para todas sus motocicletas. Su DKW RT 125 fue uno de los primeros vehículos de motor en alcanzar así más de 100 mpg. [31]
Los motores de combustión interna requieren el encendido de la mezcla, ya sea por encendido por chispa (SI) o por encendido por compresión (CI) . Antes de la invención de métodos eléctricos fiables, se utilizaban métodos de llama y tubo caliente. Se han construido motores experimentales con encendido láser . [32]
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El motor de encendido por chispa fue un refinamiento de los primeros motores que utilizaban encendido por tubo caliente. Cuando Bosch desarrolló el magneto , se convirtió en el principal sistema para producir electricidad para alimentar una bujía. [33] Muchos motores pequeños todavía utilizan encendido por magneto. Los motores pequeños se arrancan manualmente mediante un arrancador de retroceso o una manivela. Antes del desarrollo del motor de arranque de automóvil por parte de Charles F. Kettering de Delco, todos los automóviles con motor de gasolina utilizaban una manivela. [34]
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 energía 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 13,8 voltios, la batería de plomo-ácido absorbe cada vez más carga eléctrica. Durante prácticamente todas las condiciones de funcionamiento, incluidas las condiciones normales de ralentí, el alternador suministra energía eléctrica primaria.
Algunos sistemas desactivan la energía 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, maximizando 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 hasta el punto muerto superior cuando el combustible está en su máxima compresión. La reducción del tamaño del área de barrido del cilindro 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 inducción y encendido, las relaciones de compresión debían mantenerse bajas. Con los avances en la tecnología del combustible y la gestión de la combustión, los motores de alto rendimiento pueden funcionar de manera confiable en una proporción de 12:1. Con combustible de bajo octanaje, se produciría un problema ya que la relación de compresión aumentaba 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 fue abandonado progresivamente para uso automotriz a partir de la década de 1970, en parte debido a preocupaciones sobre el envenenamiento por plomo .
La mezcla de combustible se enciende con diferentes progresiones del pistón en el cilindro. A bajas revoluciones, la chispa está programada para ocurrir cerca del pistón logrando el punto muerto superior. Para producir más potencia, a medida que aumentan las rpm, la chispa avanza más rápido durante el movimiento del pistón. La chispa se produce mientras el combustible todavía se está comprimiendo progresivamente más a medida que aumentan las rpm. [35]
El alto voltaje necesario, normalmente 10.000 voltios, se suministra mediante una bobina de inducción o un transformador. La bobina de inducción es un sistema de retorno que utiliza la interrupción de la corriente eléctrica del sistema primario a través de algún tipo de interruptor sincronizado. El interruptor puede ser puntos de contacto o un transistor de potencia. El problema con este tipo de encendido es que a medida que aumentan las RPM la disponibilidad de energía eléctrica disminuye. Esto es especialmente un problema, ya que la cantidad de energía necesaria para encender una mezcla de combustible más densa es mayor. El resultado era a menudo un fallo de encendido a altas RPM.
Se desarrolló el encendido por descarga de condensadores . Produce un voltaje creciente que se envía a la bujía. Los voltajes del sistema de CD pueden alcanzar los 60.000 voltios. [36] Los encendidos de CD utilizan transformadores elevadores . El transformador elevador utiliza energía almacenada en una capacitancia para generar 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 con calefacción. En algunas partes del mundo, el aceite se drenaba y calentaba durante la noche y se devolvía al motor para arrancar en frío. A principios de la década de 1950, se desarrolló la unidad gasificadora de gasolina, donde, en los arranques en climas fríos, la gasolina cruda se desviaba a la unidad donde se quemaba parte del combustible, lo que provocaba que la otra parte se convirtiera en un vapor caliente enviado directamente al colector de válvulas de admisión. Esta unidad fue bastante popular hasta que los calentadores eléctricos del bloque del motor se convirtieron en estándar en los motores de gasolina vendidos en climas fríos. [37]
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 el de 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 tipo HCCI absorben aire y combustible, pero siguen dependiendo de un proceso de autocombustión sin asistencia, debido a presiones y temperaturas más altas. Esta es también la razón por la que los motores diésel 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 liviano con inyección indirecta en automóviles y camionetas emplean bujías incandescentes (u otro tipo de precalentamiento: consulte Cummins ISB#6BT ) que precalientan la cámara de combustión justo antes de arrancar para reducir las condiciones de no arranque en climas fríos. La mayoría de los diésel también tienen batería y sistema de carga; sin embargo, este sistema es secundario y los fabricantes lo agregan como un lujo para facilitar el arranque, abrir y cerrar el combustible (que también se puede hacer mediante un interruptor o aparato mecánico) y para hacer funcionar componentes y accesorios eléctricos auxiliares. La mayoría de los motores nuevos dependen de unidades de control del motor (ECU) eléctricas y electrónicas que también ajustan el proceso de combustión para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones.
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Las superficies en contacto y movimiento relativo con otras superficies requieren lubricación para reducir el desgaste, el ruido y aumentar la eficiencia al reducir el desperdicio de energía al 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:
En los motores de 2 tiempos con cárter limpiado, 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 compartimento inundado de lubricante de modo que no se requiera bomba de aceite .
En un sistema de lubricación por salpicadura no se utiliza ninguna 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 los extremos de las bielas pueden tener una pala adjunta para mejorar este efecto. El tren de válvulas también puede sellarse en un compartimiento inundado o abrirse hacia el cigüeñal de manera que reciba aceite salpicado y permita que drene de regreso al sumidero. La lubricación por salpicadura es común en 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 atendidas por el sistema y luego devuelve el aceite a un depósito. Por lo general, este circuito no da servicio al equipo auxiliar de un motor; por ejemplo, un alternador puede utilizar rodamientos de bolas sellados con su propio lubricante. El depósito de 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 recoge, pero una bomba dedicada lo drena continuamente; esto se llama sistema de sumidero seco .
En su parte inferior, el cárter 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 petróleo ingresa a estas ranuras desde canales conectados a la galería de petróleo. El cigüeñal tiene perforaciones que toman el aceite de estas ranuras y lo entregan a los cojinetes de cabeza de biela. Todos los cojinetes de cabeza de biela se lubrican de esta manera. Un solo cojinete principal puede proporcionar aceite para 0, 1 ó 2 cojinetes de cabeza de biela. Se podrá utilizar un sistema similar para lubricar el pistón, su bulón y el extremo pequeño de su biela; En este sistema, la cabeza de biela tiene una ranura alrededor del cigüeñal y una perforación conectada a la ranura que distribuye el aceite desde allí hasta la parte inferior 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 boquilla está en movimiento respecto al cilindro que lubrica, pero siempre apuntando hacia él o hacia el pistón correspondiente.
Normalmente, 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 lubricante ayuda a mover el calor de las partes calientes del motor al líquido refrigerante (en motores enfriados por agua) o a las aletas (en motores enfriados por aire) que luego lo transfieren al medio ambiente. El lubricante debe diseñarse para ser químicamente estable y mantener viscosidades adecuadas dentro del rango de temperatura que encuentra en el motor.
Las configuraciones de cilindros comunes 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 avión 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 varios cilindros tienen su tren de válvulas y cigüeñal configurados para que los pistones se encuentren en diferentes partes de su ciclo. Es deseable que los ciclos de los pistones estén espaciados uniformemente (esto se llama encendido uniforme ), especialmente en motores de inducción forzada; esto reduce las pulsaciones de par [38] y hace que los motores en línea con más de 3 cilindros estén estáticamente equilibrados en sus fuerzas primarias. Sin embargo, algunas configuraciones de motor requieren disparos impares para lograr un mejor equilibrio que el que es posible con disparos 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. tras otro, ningún cilindro dispara durante 540°. Con un patrón de disparo uniforme, los pistones se moverían al unísono y las fuerzas asociadas se sumarían.
Las configuraciones múltiples de cigüeñal 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 una eliminación de flujo uniforme que, como en el motor de cuatro tiempos, es eficiente en una amplia gama de velocidades del motor. La eficiencia térmica mejora debido a la falta de culatas. Este diseño se utilizó en el motor de avión diésel Junkers Jumo 205 , utilizando dos cigüeñales en cada extremo de un único banco de cilindros, y más notablemente en los motores diésel Napier Deltic . Estos utilizaban tres cigüeñales para servir a tres bancos de cilindros de doble extremo dispuestos en un triángulo equilátero con los cigüeñales en las esquinas. También se utilizó en motores de locomotoras de un solo banco , y todavía se utiliza en motores de propulsión marinos y generadores auxiliares marinos.
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 independiente. Esta variación se llama ciclo diésel. 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.
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. Consta de los mismos pasos principales que se describen para el motor de cuatro tiempos: admisión, compresión, encendido, expansión y escape.
En 1879, Nicolaus Otto fabricó y vendió un motor de doble expansión (los principios de doble y triple expansión tenían amplio uso en las máquinas de vapor), con dos cilindros pequeños a ambos lados de un cilindro más grande de baja presión, donde se realizaba una segunda expansión del gas de escape. tuvo lugar; el propietario lo devolvió alegando mal funcionamiento. En 1906, el concepto se incorporó a un automóvil construido por EHV ( Eisenhuth Horseless Vehicle Company ); [39] 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 y bajo SFC (consumo específico de combustible). [40]
El motor de seis tiempos se inventó en 1883. Cuatro tipos de motores de seis tiempos utilizan un pistón normal en un cilindro normal (Griffin de seis tiempos, Bajulaz de seis tiempos, Velozeta de seis tiempos y Crower de seis tiempos), encendiendo 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 pistón" 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.
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 se cerró la válvula de entrada y, en el resto de la carrera descendente, se disparó la mezcla de aire y combustible. La válvula de escape se abrió para la carrera ascendente del pistón. Estos intentos de imitar el principio de una máquina de vapor resultaron muy ineficaces. Existen varias variaciones de estos ciclos, entre los que destacan 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 conducto cruzado desde el cilindro de compresión al segundo cilindro, donde se producen 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 reduciendo la holgura entre el pistón y la culata mediante diversas técnicas de turbocompresión. El diseño 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).
El encendido del ATDC se puede lograr utilizando aire a alta presión en el conducto de transferencia para crear un flujo sónico y una alta turbulencia en el cilindro de potencia.
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 de combustible eleva la temperatura del aire que luego sale del motor creando empuje. Un motor turbofan moderno puede funcionar con una eficiencia de hasta el 48%. [41]
Hay seis secciones en un motor turbofan:
Una turbina de gas comprime aire y lo utiliza para hacer girar una turbina . Es esencialmente un motor a reacción que dirige su potencia 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 al 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, aumenta al quemar combustible en él. El aire calentado y los productos de la combustión se expanden en una turbina, produciendo trabajo. Aproximadamente 2 ⁄ 3 del trabajo impulsa el compresor: el resto (aproximadamente 1 ⁄ 3 ) está disponible como producción de trabajo útil. [43]
Las turbinas de gas se encuentran entre los motores de combustión interna más eficientes. Las plantas eléctricas de ciclo combinado de turbinas 7HA y 9HA de General Electric tienen una eficiencia superior al 61%. [44]
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 mediante la combustión del combustible inyectado en la cámara de combustión, lo 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 donde la compresión, la combustión y la expansión ocurren simultáneamente en diferentes lugares del motor, lo que brinda potencia continua. Cabe destacar que la combustión se produce a presión constante, en lugar de con el ciclo Otto, a volumen constante.
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 un motor de "cuatro fases". Si bien es cierto que normalmente se producen tres carreras de potencia por revolución del rotor, debido a la relación de revolución de 3:1 del rotor al eje excéntrico, en realidad sólo se produce una carrera de potencia por revolución del eje. El eje impulsor (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. El motor también se utiliza en vehículos aéreos no tripulados, donde el tamaño y el peso pequeños y la alta relación potencia-peso son ventajosos.
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 funcionar a gran altura.
La inducción forzada se logra mediante un sobrealimentador , donde el compresor es accionado directamente desde el eje del motor o, en el turbocompresor , desde una turbina alimentada por el escape del motor.
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 normalmente da como resultado la producción de una gran cantidad de energía térmica, así como la producción de vapor y dióxido de carbono y otras sustancias químicas a temperaturas muy altas; la temperatura alcanzada está determinada por la composición química del combustible y los oxidantes (ver estequiometría ), así como por la compresión y otros factores.
Los combustibles modernos más comunes están compuestos de hidrocarburos y se derivan en su mayor parte de combustibles fósiles ( petróleo ). Los combustibles fósiles incluyen el diésel , la gasolina y el gas de petróleo , y el uso más raro del propano . A excepción de los componentes de suministro de combustible, la mayoría de los motores de combustión interna diseñados para uso de 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 biodiesel (una forma de combustible diesel que se produce a partir de cultivos que producen triglicéridos como el aceite de soja ). Los motores, con las modificaciones adecuadas, también pueden funcionar con gas hidrógeno , gas de madera o gas de carbón , así como con el llamado gas productor , obtenido a partir de otras biomasas convenientes. También se han realizado experimentos utilizando combustibles sólidos en polvo, como el ciclo de inyección de magnesio .
Actualmente, los combustibles utilizados incluyen:
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 petróleo; sin embargo, los motores de gasolina también suelen denominarse coloquialmente "motores de gas" (" motores de gasolina " fuera de América del Norte).
Las principales limitaciones de los combustibles son que deben ser fácilmente transportables a través del sistema de combustible hasta 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 consumen más combustible en la mayoría de las circunstancias y se utilizan en vehículos pesados de carretera, 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 . En Europa , los automóviles sofisticados con motor diésel han acaparado alrededor del 45% del mercado desde los años 1990. También existen motores que funcionan con hidrógeno , metanol , etanol , gas licuado de petróleo (GLP), biodiesel , parafina y aceite vaporizador de tractores (TVO).
El hidrógeno podría eventualmente reemplazar a los combustibles fósiles convencionales en los motores de combustión interna tradicionales. Alternativamente, la tecnología de pilas de combustible podría cumplir su promesa y el uso de motores de combustión interna podría incluso eliminarse progresivamente.
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 sea necesaria 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 la del agua) y requiere un aislamiento extenso, mientras que el hidrógeno gaseoso requiere un tanque pesado. Incluso cuando está licuado, el hidrógeno tiene una energía específica más alta, pero el almacenamiento energético volumétrico sigue siendo aproximadamente cinco veces menor que el de la gasolina. Sin embargo, la densidad energética del hidrógeno es considerablemente mayor que la de las baterías eléctricas, lo que lo convierte en un serio competidor como portador de energía para reemplazar los combustibles fósiles. El proceso de 'Hidrógeno bajo demanda' (ver pila 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.
Dado que el aire abunda en la superficie de la tierra, el oxidante suele ser oxígeno atmosférico, que tiene la ventaja de no almacenarse dentro del vehículo. Esto aumenta las relaciones potencia-peso y potencia-volumen. Otros materiales se utilizan para fines especiales, a menudo para aumentar la producción de energía o para permitir el funcionamiento bajo el agua o en el espacio.
Se requiere enfriamiento para eliminar el calor excesivo; las altas temperaturas pueden causar fallas en el motor, generalmente por desgaste (debido a fallas de lubricación inducidas por altas temperaturas), grietas o deformaciones. Las dos formas más comunes de refrigeración del motor son la refrigeración por aire y la refrigeración por agua . La mayoría de los motores de automóviles modernos están refrigerados por agua y por aire, ya que el refrigerante agua/líquido se lleva a aletas y/o ventiladores enfriados por aire, mientras que los motores más grandes pueden estar refrigerados únicamente por agua, ya que son estacionarios y tienen un suministro constante de agua a través de tuberías de agua o agua dulce, mientras que la mayoría de los motores de herramientas eléctricas y otros motores pequeños están enfriados por aire. Algunos motores (enfriados por aire o por agua) también tienen un enfriador de aceite . En algunos motores, especialmente para el enfriamiento de las palas de los motores de turbina y el enfriamiento líquido de los motores de cohetes , se utiliza combustible como refrigerante, ya que se precalienta simultáneamente antes de inyectarlo en una cámara de combustión.
Los motores de combustión interna deben tener sus ciclos iniciados. En los motores alternativos esto se logra girando el cigüeñal (eje del rotor Wankel), que induce los ciclos de admisión, compresión, combustión y escape. Los primeros motores se pusieron en marcha con un giro de volante , mientras que el primer vehículo (el Daimler Reitwagen) se puso en marcha con una manivela. Todos los automóviles con motor ICE arrancaban con manivelas hasta que Charles Kettering desarrolló el arranque eléctrico para automóviles. [47] Este método es ahora el más utilizado, incluso entre personas que no son automóviles.
A medida que los motores diésel se han hecho más grandes y sus mecanismos más pesados, se han empezado a utilizar los arrancadores neumáticos . [48] Esto se debe a la falta de par en los arrancadores eléctricos. Los arrancadores neumáticos funcionan bombeando aire comprimido a los cilindros de un motor para que empiece a girar.
Los vehículos de dos ruedas pueden arrancar sus motores de una de cuatro maneras:
También hay arrancadores en los que un resorte se comprime mediante un movimiento de manivela y luego se usa para arrancar el motor.
Algunos motores pequeños utilizan un mecanismo de tracción de la cuerda llamado "arranque por retroceso", ya que la cuerda se rebobina sola después de haber sido retirada para arrancar el motor. Este método se usa comúnmente en cortadoras de césped de empuje y otras configuraciones donde solo se necesita una pequeña cantidad de torsión para hacer girar el motor.
Los motores de turbina suelen arrancar mediante un motor eléctrico o mediante aire comprimido.
Los tipos de motores varían mucho de diferentes maneras:
Una vez encendidos y quemados, los productos de la combustión (gases calientes) tienen más energía térmica disponible que la mezcla original de combustible y aire comprimido (que tenía mayor energía química ). Esta energía disponible se manifiesta como una temperatura y 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 según el motor. Cualquier energía térmica que no se traduzca en trabajo normalmente se considera un producto de desecho y se elimina del motor mediante un sistema de refrigeración por aire o por 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 tales, su eficiencia teórica puede aproximarse mediante ciclos termodinámicos idealizados . La eficiencia térmica de un ciclo teórico no puede superar a 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 autoinflamarse. 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 los cilindros. La autoignición se puede mitigar mediante el uso de combustibles con alta resistencia a la autoignición ( índice de octanaje ), sin embargo, todavía impone un límite superior a la temperatura máxima permitida del cilindro.
Los límites termodinámicos suponen que el motor funciona en condiciones ideales: un mundo sin fricción, gases ideales, aislantes perfectos y funcionamiento durante un 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 suele funcionar significativamente por debajo de su carga ideal, porque está diseñado para las cargas más altas necesarias para una aceleración rápida. [ cita necesaria ] Además, factores como la resistencia al viento reducen la eficiencia general del sistema. La economía de combustible del vehículo se mide en millas por galón o en litros cada 100 kilómetros. El volumen de hidrocarburos supone un contenido energético estándar.
Incluso cuando cuentan con turbocompresores y ayudas para la eficiencia de stock, la mayoría de los motores conservan una eficiencia promedio de alrededor del 18-20%. [49] Sin embargo, las últimas tecnologías en los motores de Fórmula Uno han visto un aumento en la eficiencia térmica más allá del 50%. [50] Hay muchos inventos destinados a aumentar la eficiencia de los motores IC. En general, los motores prácticos siempre se ven comprometidos por compensaciones entre diferentes propiedades como eficiencia, peso, potencia, calor, respuesta, emisiones de escape o ruido. A veces, la economía también influye no sólo en el coste de fabricación del motor en sí, sino también en la fabricación y distribución del combustible. Aumentar la eficiencia del motor genera una mejor economía de combustible, pero sólo si el costo del combustible por contenido energético es el mismo.
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. hora-fuerza o los gramos de propulsor necesarios para generar un impulso que mide un kilonewton-segundo.
Para los cohetes, se puede utilizar TSFC, pero normalmente se utilizan tradicionalmente otras medidas equivalentes, como el impulso específico y la velocidad efectiva de escape .
Los motores de combustión interna, como los motores de combustión interna alternativos, producen emisiones contaminantes al aire debido a la combustión incompleta de combustible carbonoso . Los principales derivados del proceso son el dióxido de carbono CO
2, 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, según las condiciones de operación y la relación combustible-aire.
Las emisiones de dióxido de carbono de los motores de combustión interna (en particular los que utilizan combustibles fósiles como la gasolina y el diésel) contribuyen al cambio climático inducido por el hombre . Aumentar la eficiencia del combustible del motor puede reducir, pero no eliminar, la cantidad de CO
2emisiones ya que la combustión de combustibles a base de carbono produce CO
2. Desde que se eliminó el CO
2del escape del motor no es práctico, existe un creciente interés en alternativas. Los combustibles sostenibles como los biocombustibles , los combustibles sintéticos y los motores eléctricos impulsados 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 de él reacciona para formar compuestos oxigenados, como formaldehído o acetaldehído , o hidrocarburos que no estaban presentes originalmente en la mezcla de combustible de entrada. La combustión incompleta suele deberse a una cantidad insuficiente de oxígeno para lograr la relación estequiométrica perfecta . La llama es "apagada" por las paredes relativamente frías del cilindro, dejando combustible sin reaccionar que se expulsa con el escape. Cuando se funciona a velocidades más bajas, el enfriamiento se observa comúnmente en motores diésel (encendido por compresión) que funcionan con gas natural. El enfriamiento reduce la eficiencia y aumenta la detonación, lo que a veces provoca que el motor se cale. La combustión incompleta también conduce a la producción de monóxido de carbono (CO). Otras sustancias químicas liberadas son el benceno y el 1,3-butadieno , que también son contaminantes peligrosos del aire .
Aumentar 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 ) . NO x es peligroso para la salud vegetal y animal 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 NOx y compuestos orgánicos volátiles en presencia de luz solar. El ozono troposférico es perjudicial para la salud humana y el medio ambiente. Aunque es la misma sustancia química, el ozono a nivel del suelo 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 que contienen azufre producen monóxidos de azufre (SO) y dióxido de azufre ( SO
2) contribuyendo a la lluvia ácida .
En los Estados Unidos, los óxidos de nitrógeno, las partículas particuladas , 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 hasta 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 dependiendo de consideraciones tecnológicas y prácticas.
Los NOx , el monóxido de carbono y otros contaminantes se controlan frecuentemente mediante la recirculación de los gases de escape , que devuelve parte del escape a la admisión del motor. Los convertidores catalíticos se utilizan para convertir los productos químicos de escape en CO.
2(un gas de efecto invernadero ), H
2O (vapor de agua, también gas de efecto invernadero) y N
2(nitrógeno).
Las normas de emisiones utilizadas por muchos países tienen requisitos especiales para los motores fuera de carretera que se utilizan en equipos y vehículos que no circulan en las vías públicas. Las normas están separadas de los vehículos de carretera. [51]
Los motores de combustión interna contribuyen de manera importante a la contaminación acústica . El tráfico de automóviles y camiones que circulan por autopistas y calles produce ruido, al igual que los vuelos de aviones debido al ruido de los aviones, en particular los aviones con capacidad supersónica. Los motores de cohetes crean el ruido más intenso.
Los motores de combustión interna siguen consumiendo combustible y emitiendo contaminantes en ralentí. El ralentí se reduce mediante sistemas de parada y arranque .
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: [52]
Como buena aproximación, la fórmula química del diésel es C.
norteh
2n. En realidad el diésel 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 aproximadamente 1 g/mol, la fracción en peso de carbono en el diésel es aproximadamente 12 ⁄ 14 .
La reacción de la combustión diésel viene dada por:
2 tazas
norteh
2n+ 3nO
2⇌ 2n CO
2+ 2nH
2oh
El dióxido de carbono tiene una masa molar de 44 g/mol, ya que está formado por 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.
En conjunto, la masa de dióxido de carbono que se produce al quemar 1 litro de diésel se puede calcular como:
La cifra obtenida con esta estimación se aproxima a los valores encontrados en la literatura.
Para la gasolina, con una densidad de 0,75 kg/L y una proporción de átomos de carbono a hidrógeno de aproximadamente 6 a 14, el valor estimado de la emisión de dióxido de carbono al quemar 1 litro de gasolina es:
El término pérdida parásita se aplica a menudo a dispositivos que toman energía del motor para mejorar la capacidad del motor para crear más energía o convertir energía en movimiento. En el motor de combustión interna, casi todos los componentes mecánicos, incluido el tren motriz , provocan pérdidas parásitas y, por lo tanto, podrían caracterizarse como una carga parásita.
Los cojinetes , las bombas de aceite, los anillos de pistón , los resortes de válvulas, los volantes , las transmisiones , los ejes de transmisión y los diferenciales actúan como cargas parásitas que roban energía al sistema. Estas cargas parásitas se pueden dividir en dos categorías: las inherentes al funcionamiento del motor y aquellas pérdidas de transmisión incurridas en los sistemas que transfieren potencia del motor a la carretera (como la transmisión, el eje de transmisión, los diferenciales y los ejes).
Por ejemplo, la primera categoría (cargas parásitas del motor) incluye la bomba de aceite utilizada para lubricar el motor, que es un parásito necesario que consume energía del motor (su huésped). Otro ejemplo de carga parásita del motor es un sobrealimentador , que obtiene su potencia del motor y crea más potencia para el motor. La potencia que consume el sobrealimentador es pérdida parásita y suele expresarse en kilovatios o caballos de fuerza . Si bien la energía que consume el sobrealimentador en comparación con la que genera es pequeña, aún es medible o calculable. Una de las características deseables de un turbocompresor frente a un sobrealimentador es la menor pérdida parásita del primero. [53]
Las pérdidas parásitas del tren motriz incluyen cargas dinámicas y de estado estacionario. Las cargas en estado estacionario ocurren a velocidades constantes y pueden originarse en componentes discretos como el convertidor de torsión , la bomba de aceite de la transmisión y/o el arrastre del embrague , y en el arrastre del sello/cojinete, la agitación del lubricante y la fricción / viento del engranaje que se encuentran en todo el sistema. Las cargas dinámicas ocurren bajo aceleración y son causadas por la inercia de los componentes giratorios y/o una mayor fricción. [54]
Si bien se han repetido comúnmente reglas generales como una pérdida de energía del 15% debido a cargas parásitas del tren motriz, la pérdida real de energía debido a cargas parásitas varía entre sistemas. Puede verse influenciado por el diseño del tren motriz, el tipo y la temperatura del lubricante y muchos otros factores. [54] [55] En los automóviles, la pérdida de la transmisión se puede cuantificar midiendo la diferencia entre la potencia medida por un dinamómetro de motor y un dinamómetro de chasis . Sin embargo, este método es principalmente útil para medir cargas en estado estacionario y puede no reflejar con precisión las pérdidas debidas a cargas dinámicas. [54] Se pueden utilizar métodos más avanzados en un entorno de laboratorio, como medir la presión dentro del cilindro, el caudal y la temperatura en ciertos puntos, y probar piezas o subconjuntos individuales para determinar la fricción y las pérdidas por bombeo. [56]
Por ejemplo, en una prueba de dinamómetro realizada por la revista Hot Rod , un Ford Mustang equipado con un motor Ford V8 de bloque pequeño de 357 ci modificado y una transmisión automática tuvo una pérdida de potencia medida en el tren motriz de un promedio del 33 %. En la misma prueba, se midió que un Buick equipado con un motor V8 455ci modificado y una transmisión manual de 4 velocidades tenía una pérdida de potencia promedio del tren motriz del 21%. [57]
Las pruebas de laboratorio de un motor diésel de servicio pesado determinaron que el 1,3% de la entrada de energía del combustible se perdía debido a cargas parásitas de los accesorios del motor, como las bombas de agua y aceite. [56]
Los ingenieros y sintonizadores automotrices comúnmente toman decisiones de diseño que reducen las cargas parásitas para mejorar la eficiencia y la producción de energía. Estos pueden implicar la elección de los principales componentes o sistemas del motor, como el uso de un sistema de lubricación por cárter seco en lugar de un sistema de cárter húmedo . Alternativamente, esto se puede lograr mediante la sustitución de componentes menores disponibles como modificaciones del mercado de accesorios, como el intercambio de un ventilador impulsado directamente por uno equipado con un embrague de ventilador o un ventilador eléctrico. [57] Otra modificación para reducir las pérdidas parásitas, que generalmente se observa en los automóviles de pista, es el reemplazo de una bomba de agua impulsada por motor por una bomba de agua eléctrica. [58] La reducción de la pérdida parásita de estos cambios puede deberse a la reducción de la fricción o a muchas otras variables que hacen que el diseño sea más eficiente. [ cita necesaria ]
Después del montaje, el matraz de aire se cargará a 450 lbs.
presión
