Un motor de cuatro tiempos (también de cuatro ciclos ) es un motor de combustión interna (CI) en el que el pistón completa cuatro carreras independientes mientras hace girar el cigüeñal. Una carrera se refiere al recorrido completo del pistón a lo largo del cilindro, en cualquier dirección. Las cuatro carreras independientes se denominan:
Los motores de cuatro tiempos son el diseño de motor de combustión interna más común para el transporte terrestre motorizado, [1] y se utilizan en automóviles , camiones , trenes diésel , aviones ligeros y motocicletas . El diseño alternativo principal es el ciclo de dos tiempos . [1]
Nikolaus August Otto era un vendedor ambulante de una empresa de comestibles. En sus viajes, se encontró con el motor de combustión interna construido en París por el expatriado belga Jean Joseph Etienne Lenoir . En 1860, Lenoir creó con éxito un motor de doble efecto que funcionaba con gas de alumbrado con una eficiencia del 4%. El motor Lenoir de 18 litros producía solo 2 caballos de fuerza. El motor Lenoir funcionaba con gas de alumbrado hecho a partir de carbón, que había sido desarrollado en París por Philip Lebon . [2]
En 1861, al probar una réplica del motor Lenoir, Otto se dio cuenta de los efectos de la compresión en la carga de combustible. En 1862, Otto intentó producir un motor para mejorar la baja eficiencia y confiabilidad del motor Lenoir. Trató de crear un motor que comprimiera la mezcla de combustible antes del encendido, pero fracasó porque el motor no funcionaba más que unos pocos minutos antes de su destrucción. Muchos otros ingenieros intentaron resolver el problema, sin éxito. [2]
En 1864, Otto y Eugen Langen fundaron la primera empresa de producción de motores de combustión interna, NA Otto and Cie (NA Otto and Company). Otto and Cie logró crear un exitoso motor atmosférico ese mismo año. [2] La fábrica se quedó sin espacio y se trasladó a la ciudad de Deutz , Alemania, en 1869, donde la empresa pasó a llamarse Deutz Gasmotorenfabrik AG (The Deutz Gas Engine Manufacturing Company). [2] En 1872, Gottlieb Daimler era director técnico y Wilhelm Maybach era el jefe de diseño de motores. Daimler era un armero que había trabajado en el motor Lenoir. En 1876, Otto y Langen lograron crear el primer motor de combustión interna que comprimía la mezcla de combustible antes de la combustión para lograr una eficiencia mucho mayor que cualquier motor creado hasta ese momento.
Daimler y Maybach dejaron de trabajar en Otto & Cie y desarrollaron el primer motor Otto de alta velocidad en 1883. En 1885, produjeron el primer automóvil equipado con un motor Otto. El Daimler Reitwagen utilizó un sistema de encendido por tubo caliente y el combustible conocido como Ligroin para convertirse en el primer vehículo del mundo propulsado por un motor de combustión interna. Utilizaba un motor de cuatro tiempos basado en el diseño de Otto. El año siguiente, Karl Benz produjo un automóvil con motor de cuatro tiempos que se considera el primer automóvil. [3]
En 1884, la empresa de Otto, conocida entonces como Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), desarrolló el encendido eléctrico y el carburador. En 1890, Daimler y Maybach formaron una empresa conocida como Daimler Motoren Gesellschaft . En la actualidad, esa empresa es Daimler-Benz .
El motor de ciclo Atkinson es un tipo de motor de combustión interna de un solo tiempo inventado por James Atkinson en 1882. El ciclo Atkinson está diseñado para proporcionar eficiencia a expensas de la densidad de potencia y se utiliza en algunas aplicaciones eléctricas híbridas modernas.
El motor de pistón de ciclo Atkinson original permitía que las carreras de admisión, compresión, potencia y escape del ciclo de cuatro tiempos se produjeran en una sola vuelta del cigüeñal y fue diseñado para evitar infringir ciertas patentes que cubrían los motores de ciclo Otto. [4]
Debido al diseño único del cigüeñal del motor Atkinson, su relación de expansión puede diferir de su relación de compresión y, con una carrera de potencia más larga que su carrera de compresión, el motor puede lograr una mayor eficiencia térmica que un motor de pistón tradicional. Si bien el diseño original del motor Atkinson no es más que una curiosidad histórica, muchos motores modernos utilizan una sincronización de válvulas no convencional para producir el efecto de una carrera de compresión más corta/carrera de potencia más larga, logrando así las mejoras en el ahorro de combustible que puede proporcionar el ciclo Atkinson. [5]
El motor diésel es un refinamiento técnico del motor de ciclo Otto de 1876. Mientras que Otto se había dado cuenta en 1861 de que la eficiencia del motor podía aumentarse comprimiendo primero la mezcla de combustible antes de su encendido, Rudolf Diesel quería desarrollar un tipo de motor más eficiente que pudiera funcionar con combustible mucho más pesado. Los motores Lenoir , Otto Atmosférico y Otto Compression (ambos de 1861 y 1876) fueron diseñados para funcionar con gas de alumbrado (gas de carbón) . Con la misma motivación que Otto, Diesel quería crear un motor que brindara a las pequeñas empresas industriales su propia fuente de energía para permitirles competir con empresas más grandes y, como Otto, alejarse del requisito de estar atados a un suministro de combustible municipal. [ cita requerida ] Al igual que Otto, tomó más de una década producir el motor de alta compresión que podía autoencender el combustible rociado en el cilindro. Diesel usó un rociador de aire combinado con combustible en su primer motor.
Durante el desarrollo inicial, uno de los motores explotó y casi mató a Diesel. Sin embargo, persistió y finalmente creó un motor exitoso en 1893. El motor de alta compresión, que enciende el combustible mediante el calor de la compresión, ahora se llama motor diésel, ya sea de cuatro tiempos o de dos tiempos.
El motor diésel de cuatro tiempos se ha utilizado en la mayoría de las aplicaciones de servicio pesado durante muchas décadas. Utiliza un combustible pesado que contiene más energía y requiere menos refinamiento para su producción. Los motores de ciclo Otto más eficientes tienen una eficiencia térmica cercana al 30 %. [ Aclaración necesaria ]
El análisis termodinámico de los ciclos reales de cuatro y dos tiempos no es una tarea sencilla. Sin embargo, el análisis se puede simplificar significativamente si se utilizan los supuestos de los estándares de aire [6] . El ciclo resultante, que se asemeja mucho a las condiciones de funcionamiento reales, es el ciclo Otto.
Durante el funcionamiento normal del motor, a medida que se comprime la mezcla de aire y combustible, se crea una chispa eléctrica para encender la mezcla. A bajas revoluciones, esto ocurre cerca del PMS (punto muerto superior). A medida que aumentan las revoluciones del motor, la velocidad del frente de llama no cambia, por lo que el punto de chispa se adelanta antes en el ciclo para permitir que una mayor proporción del ciclo de combustión de la carga comience antes de que comience la carrera de potencia. Esta ventaja se refleja en los diversos diseños de motores Otto: el motor atmosférico (sin compresión) funciona con una eficiencia del 12 %, mientras que el motor de carga comprimida tiene una eficiencia operativa de alrededor del 30 %.
Un problema con los motores de carga comprimida es que el aumento de temperatura de la carga comprimida puede provocar una preignición. Si esto ocurre en el momento equivocado y con demasiada energía, puede dañar el motor. Las distintas fracciones de petróleo tienen puntos de inflamación (temperaturas a las que el combustible puede autoencenderse) muy variables. Esto debe tenerse en cuenta en el diseño del motor y del combustible.
La tendencia de la mezcla de combustible comprimida a encenderse antes de tiempo está limitada por la composición química del combustible. Existen varios grados de combustible para adaptarse a los diferentes niveles de rendimiento de los motores. El combustible se altera para cambiar su temperatura de autoignición. Hay varias formas de hacerlo. Como los motores están diseñados con relaciones de compresión más altas , el resultado es que es mucho más probable que se produzca una preignición, ya que la mezcla de combustible se comprime a una temperatura más alta antes de la ignición deliberada. La temperatura más alta evapora de manera más efectiva los combustibles como la gasolina, lo que aumenta la eficiencia del motor de compresión. Las relaciones de compresión más altas también significan que la distancia que el pistón puede empujar para producir potencia es mayor (lo que se denomina relación de expansión ).
El índice de octano de un combustible determinado es una medida de la resistencia del combustible a la autoignición. Un combustible con un índice de octano numérico más alto permite una relación de compresión más alta, lo que extrae más energía del combustible y convierte esa energía en trabajo útil de manera más efectiva, al mismo tiempo que evita daños al motor por preignición. El combustible de alto octanaje también es más caro.
Muchos motores de cuatro tiempos modernos emplean inyección directa de gasolina o GDI. En un motor de inyección directa de gasolina, la boquilla del inyector sobresale hacia la cámara de combustión. El inyector directo de combustible inyecta gasolina a una presión muy alta en el cilindro durante la carrera de compresión, cuando el pistón está más cerca de la parte superior. [7]
Los motores diésel, por su naturaleza, no tienen problemas de preignición, sino de si se puede iniciar o no la combustión. La descripción de la probabilidad de que el combustible diésel se encienda se denomina índice de cetano. Debido a que los combustibles diésel son de baja volatilidad, puede resultar muy difícil arrancarlos cuando están fríos. Se utilizan varias técnicas para arrancar un motor diésel frío, siendo la más común el uso de una bujía incandescente .
La cantidad máxima de potencia generada por un motor está determinada por la cantidad máxima de aire ingerido. La cantidad de potencia generada por un motor de pistón está relacionada con su tamaño (volumen del cilindro), si es un motor de dos tiempos o un diseño de cuatro tiempos, la eficiencia volumétrica , las pérdidas, la relación aire-combustible, el valor calorífico del combustible, el contenido de oxígeno del aire y la velocidad ( RPM ). La velocidad está limitada en última instancia por la resistencia del material y la lubricación . Las válvulas, los pistones y las bielas sufren graves fuerzas de aceleración. A alta velocidad del motor, pueden producirse roturas físicas y aleteo de los anillos del pistón , lo que resulta en pérdida de potencia o incluso la destrucción del motor. El aleteo de los anillos del pistón se produce cuando los anillos oscilan verticalmente dentro de las ranuras del pistón en las que residen. El aleteo de los anillos compromete el sello entre el anillo y la pared del cilindro, lo que provoca una pérdida de presión y potencia del cilindro. Si un motor gira demasiado rápido, los resortes de las válvulas no pueden actuar lo suficientemente rápido como para cerrar las válvulas. Esto se conoce comúnmente como ' flotación de la válvula ' y puede provocar el contacto del pistón con la válvula, dañando gravemente el motor. A altas velocidades, la lubricación de la interfaz entre el pistón y la pared del cilindro tiende a deteriorarse, lo que limita la velocidad del pistón en los motores industriales a unos 10 m/s.
La potencia de salida de un motor depende de la capacidad de la materia de admisión (mezcla de aire y combustible) y de escape para moverse rápidamente a través de los puertos de válvula, ubicados típicamente en la culata . Para aumentar la potencia de salida de un motor, se pueden eliminar las irregularidades en los caminos de admisión y escape, como fallas de fundición, y, con la ayuda de un banco de flujo de aire , se pueden modificar los radios de giro del puerto de válvula y la configuración del asiento de válvula para reducir la resistencia. Este proceso se llama porting y se puede hacer a mano o con una máquina CNC .
Un motor de combustión interna es capaz de convertir en promedio solo entre el 40 y el 45 % de la energía suministrada en trabajo mecánico. Una gran parte de la energía desperdiciada se encuentra en forma de calor que se libera al medio ambiente a través del refrigerante, las aletas, etc. Si de alguna manera se pudiera capturar el calor desperdiciado y transformarlo en energía mecánica, se podría mejorar el rendimiento del motor y/o la eficiencia del combustible mejorando la eficiencia general del ciclo. Se ha descubierto que incluso si se recupera el 6 % de todo el calor desperdiciado, se puede aumentar considerablemente la eficiencia del motor. [8]
Se han ideado muchos métodos para extraer el calor residual de los gases de escape de un motor y utilizarlo para generar trabajo útil, reduciendo al mismo tiempo los contaminantes del escape. El uso del ciclo Rankine , la turboalimentación y la generación termoeléctrica pueden ser muy útiles como sistema de recuperación de calor residual .
Una forma de aumentar la potencia del motor es introducir más aire en el cilindro para que se pueda producir más potencia en cada carrera de potencia. Esto se puede hacer utilizando algún tipo de dispositivo de compresión de aire conocido como supercargador , que puede ser alimentado por el cigüeñal del motor.
La sobrealimentación aumenta los límites de potencia de salida de un motor de combustión interna en relación con su cilindrada. Lo más habitual es que el sobrealimentador esté siempre en funcionamiento, pero existen diseños que permiten que se lo apague o que funcione a distintas velocidades (en relación con la velocidad del motor). La sobrealimentación accionada mecánicamente tiene la desventaja de que parte de la potencia de salida se utiliza para accionar el sobrealimentador, mientras que la potencia se desperdicia en el escape de alta presión, ya que el aire se ha comprimido dos veces y luego gana más volumen potencial en la combustión, pero solo se expande en una etapa.
Un turbocompresor es un sobrealimentador que funciona con los gases de escape del motor, por medio de una turbina . Un turbocompresor se incorpora al sistema de escape de un vehículo para aprovechar los gases de escape expulsados. Consiste en un conjunto de turbina de alta velocidad de dos piezas con un lado que comprime el aire de admisión y el otro lado que funciona con el flujo de salida de los gases de escape.
Al ralentí y a velocidades bajas o moderadas, la turbina produce poca potencia a partir del pequeño volumen de escape, el turbocompresor tiene poco efecto y el motor funciona casi de manera naturalmente aspirada. Cuando se requiere mucha más potencia, se aumenta la velocidad del motor y la apertura del acelerador hasta que los gases de escape son suficientes para "hacer girar" la turbina del turbocompresor y comenzar a comprimir mucho más aire de lo normal en el colector de admisión. De este modo, se expulsa potencia (y velocidad) adicional a través de la función de esta turbina.
La turboalimentación permite un funcionamiento más eficiente del motor porque se alimenta de la presión de escape que, de otro modo, se desperdiciaría (en su mayor parte), pero existe una limitación de diseño conocida como retraso del turbo . La mayor potencia del motor no está disponible de inmediato debido a la necesidad de aumentar drásticamente las RPM del motor, para acumular presión y hacer girar el turbo, antes de que el turbo comience a realizar una compresión de aire útil. El mayor volumen de admisión provoca un mayor escape y hace girar el turbo más rápido, y así sucesivamente hasta que se alcanza un funcionamiento constante de alta potencia. Otra dificultad es que la mayor presión de escape hace que los gases de escape transfieran más calor a las partes mecánicas del motor.
La relación biela-carrera es la relación entre la longitud de la biela y la longitud de la carrera del pistón. Una biela más larga reduce la presión lateral del pistón sobre la pared del cilindro y las fuerzas de tensión, lo que aumenta la vida útil del motor. También aumenta el costo y la altura y el peso del motor.
Un "motor cuadrado" es un motor cuyo diámetro interior es igual a la longitud de su carrera. Un motor en el que el diámetro interior es mayor que la longitud de su carrera es un motor sobrecuadrado ; por el contrario, un motor cuyo diámetro interior es menor que la longitud de su carrera es un motor subcuadrado.
Las válvulas son operadas típicamente por un árbol de levas que gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal . Tiene una serie de levas a lo largo de su longitud, cada una diseñada para abrir una válvula durante la parte apropiada de una carrera de admisión o escape. Un taqué entre la válvula y la leva es una superficie de contacto sobre la cual se desliza la leva para abrir la válvula. Muchos motores usan uno o más árboles de levas "encima" de una fila (o cada fila) de cilindros, como en la ilustración, en la que cada leva acciona directamente una válvula a través de un taqué plano. En otros diseños de motor, el árbol de levas está en el cárter , en cuyo caso cada leva generalmente entra en contacto con una varilla de empuje , que entra en contacto con un balancín que abre una válvula, o en el caso de un motor de cabezal plano , no es necesaria una varilla de empuje. El diseño de árbol de levas en cabeza generalmente permite velocidades de motor más altas porque proporciona la ruta más directa entre la leva y la válvula.
La holgura de válvulas se refiere al pequeño espacio entre el elevador de válvulas y el vástago de la válvula que garantiza que la válvula se cierre por completo. En los motores con ajuste mecánico de válvulas, una holgura excesiva provoca ruido en el tren de válvulas. Una holgura de válvulas demasiado pequeña puede provocar que las válvulas no se cierren correctamente. Esto produce una pérdida de rendimiento y posiblemente un sobrecalentamiento de las válvulas de escape. Por lo general, la holgura debe reajustarse cada 20 000 millas (32 000 km) con un calibre de espesores.
La mayoría de los motores de producción modernos utilizan elevadores hidráulicos para compensar automáticamente el desgaste de los componentes del tren de válvulas. El aceite de motor sucio puede provocar fallas en los elevadores.
Los motores Otto tienen una eficiencia de alrededor del 30%; en otras palabras, el 30% de la energía generada por la combustión se convierte en energía rotacional útil en el eje de salida del motor, mientras que el resto se pierde debido al calor residual, la fricción y los accesorios del motor. [9] Hay varias formas de recuperar parte de la energía perdida por calor residual. El uso de un turbocompresor en motores diésel es muy eficaz al aumentar la presión del aire entrante y, en efecto, proporciona el mismo aumento de rendimiento que tener más cilindrada. La empresa Mack Truck, hace décadas, desarrolló un sistema de turbina que convertía el calor residual en energía cinética que devolvía a la transmisión del motor. En 2005, BMW anunció el desarrollo del turbosteamer , un sistema de recuperación de calor de dos etapas similar al sistema Mack que recupera el 80% de la energía de los gases de escape y aumenta la eficiencia de un motor Otto en un 15%. [10] Por el contrario, un motor de seis tiempos puede reducir el consumo de combustible hasta en un 40%.
Los motores modernos suelen construirse intencionadamente para que sean ligeramente menos eficientes de lo que podrían ser de otro modo. Esto es necesario para los controles de emisiones, como la recirculación de gases de escape y los convertidores catalíticos que reducen el smog y otros contaminantes atmosféricos. Las reducciones en la eficiencia se pueden contrarrestar con una unidad de control del motor que utilice técnicas de combustión pobre . [11]
En Estados Unidos, la Corporate Average Fuel Economy exige que los vehículos alcancen un promedio de 34,9 mpg ‑US (6,7 L/100 km; 41,9 mpg ‑imp ) en comparación con el estándar actual de 25 mpg ‑US (9,4 L/100 km; 30,0 mpg ‑imp ). [12] A medida que los fabricantes de automóviles buscan cumplir con estos estándares para 2016, se deben considerar nuevas formas de ingeniería del motor de combustión interna (ICE) tradicional. Algunas soluciones potenciales para aumentar la eficiencia del combustible para cumplir con los nuevos mandatos incluyen el encendido después de que el pistón esté más alejado del cigüeñal, conocido como punto muerto superior , y la aplicación del ciclo Miller . En conjunto, este rediseño podría reducir significativamente el consumo de combustible y las emisiones de NO x .
Posición inicial, carrera de admisión y carrera de compresión.
Encendido de combustible, carrera de potencia y carrera de escape.