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Posted by on Dic 21, 2012 in Blog, Motores | 0 comments

¿Cómo funciona un motor alternativo? Motor a pistón.

¿Cómo funciona un motor alternativo? Motor a pistón.

Con este damos comienzo a una serie de post sobre los motores alternativos.
Hablaremos en diferentes post de su clasificación, según la construcción del motor, hablaremos de los motores de inyección y carburación, de los aspirados y los que utilizan turbocompresores etc…

En este primer post de la serie, vamos a hablar del funcionamiento de un motor.

Tenemos  motores de 2 tiempos y motores de 4 tiempos.
Nos vamos a centrar en los motores de 4 tiempos ya que son los más extendidos, los motores de 2 tiempos en aviación se utilizan muy poco, en algún ultra ligero y poco más y en automoción solo se utiliza en algunas motos, sobre todo motos de campo o de cross.

¿Cómo funciona un motor de 4 tiempos?
La función del motor es la de transformar la energía calorífica del combustible en energía mecánica.

El motor alternativo de aviación está formado por una serie de cilindros donde se comprime la mezcla aire-combustible y se inflama la mezcla.
Esta mezcla está previamente preparada en un dispositivo llamado carburador o bien en un sistema de inyección

Antes de nada vamos a ver las partes básicas del motor.

motor_cilindro

Culata (Cyliner head): La culata es la parte superior del motor, donde se encuentran las aletas de refrigeración y en la cual van roscadas las bujías y van acopladas las válvulas.
En el dibujo podemos observar las 2 válvulas, una de admisión y otra de escape, que son las que permiten la entrada de la mezcla aire-combustible y la salida de los gases de escape.
En los motores actuales se pueden encontrar 1 o 2 válvulas de admisión y 1 o 2 válvulas de escape.
En la parte interior de la culata se encuentra la cámara de combustión del cilindro.
Bujía (Spark plug): Es la encargada de generar la chispa para incendiar la mezcla. En los motores de aviación hay 2 bujías por cada cilindro. Con esto se consiguen 2 cosas. La primera es una redundancia en la seguridad, ya que cada bujía va con un sistema independiente, por lo que si nos falla una bujía, aún nos quedaría otra. La segunda es que se consigue una velocidad de llama mayor, lo que se traduce en más RPM del motor y por lo tanto más potencia.
Cilindro (Cylinder): El cilindro se construye de acero e internamente tiene un recubrimiento de Cromo-Niquel muy resistente.

 

pistonPistón (Piston): El émbolo o pistón tiene forma de vaso invertido y se mueve por dentro del cilindro. El pistón se une al cigüeñal mediante la biela.

La cabeza del pistón o émbolo tiene unos segmentos que se encargan de dar estanqueidad e impedir que escapen los gases de la parte superior del cilindro. Los segmentos también cumplen una función de lubricación.
El la foto de la izquierda podemos observar los segmentos en la parte superior y la parte inferior por donde se une el pistón al cigüeñal.
Cuerpo (Crankcase): Es el soporte del conjunto de cilindros y del cigüeñal. En algunos motores se utiliza como sumidero del aceite, dependiendo si es de cárter húmedo o cárter seco.

 

cigueñal

Cigüeñal (Crankshaft): El cigüeñal es el responsable de transformar el movimiento alternativo de los pistones en movimiento rotativo.
En la foto de la izquierda podemos ver el cigüeñal con los 4 pistones ya montados.

 

 

 

 

¿Cuáles son los 4 tiempos del motor?

Antes de meternos con el funcionamiento vamos a ver unos conceptos.
Punto Muerto Superior (PMS): Es la posición de desplazamiento máximo, en sentido ascendente, que puede alcanzar el pistón.
Punto Muerto Inferior (PMI): Es cuando el cilindro se encuentra a la mínima distancia del cigüeñal.
Carrera del émbolo: Distancia que recorre el émbolo desde el PMS al PMI.
Consumo específico de combustible: Es una magnitud de la eficacia del motor. Es la cantidad de combustible consumido por unidad de tiempo y por potencia. Quiere decir que si es bajo, nos hace falta poco combustible para desarrollar potencia.

Vale, hemos dicho que lo más utilizado hoy en día son los motores de 4 tiempo, pero ¿que es eso de los 4 tiempos?

Los 4 tiempos son:

  1. Admisión.
  2. Compresión.
  3. Explosión-expansión.
  4. Escape.

1. Admisión: En este tiempo el pistón se encuentra descendiendo, la válvula de admisión abierta y la de escape cerrada, de tal modo que por la válvula de admisión está entrando la mezcla de aire-combustible.
Teóricamente el tiempo de admisión termina cuando el pistón llega al PMI. Teóricamente, ya que en realidad los tiempos de apertura y cierre de válvulas, veremos que se adelantan o retrasan.
2. Compresión: En este tiempo el pistón parte del PMI, las válvulas de admisión y escape están cerradas, con lo que el pistón va comprimiendo la mezcla aire-combustible en un espacio cada vez más pequeño, hasta que llega a su volumen mínimo en el PMS.
3. Combustión: Una vez el pistón está en el PMS, la bujía o en este caso las bujías, hacen saltar una chispa que inflaman la mezcla, por lo que se produce una súbita expansión de los gases que impulsan el pistón hacia abajo, hacia el PMI.
4. Escape: Una vez que el pistón está en el PMI, se abre la o las válvulas de escape mientras el pistón va subiendo y va desplazando los gases, haciendo que estos salgan por las válvulas de escape, hacia los colectores y a la atmósfera.

Como vemos el cigüeñal da 2 vueltas por cada ciclo de trabajo.

En este vídeo podemos observar los 4 tiempos. El combustible entra por el conducto de admisión (azul) y luego por las válvulas de admisión.
Tenemos representado lo que pasa en un cilindro, y sería lo mismo para el resto de los cilindros, como bien se ve en el vídeo.

¿Qué rendimiento tiene un motor alternativo?
Se pueden medir diferentes tipos de rendimiento en un motor alternativo.
Rendimiento mecánico: Es la relación entre la potencia efectiva y la indicada. Está en torno a 80% – 85%

Rendimiento térmico: Es la relación entre la cantidad de calor transformado en trabajo útil y la energía interna del combustible.  Está en torno al 25% – 28%, lo que vemos que aquí se desperdicia mucha energía en forma de calor.
Rendimiento del motor: µ Motor = Pot.obtenida /Energía calorífica del combustible. Para un motor de gasolina está en torno al  25% y para un motor diésel en torno al 40%
Por lo que vemos que los motores alternativos no tienen demasiado rendimiento, sobre todo por la energía transformada en calor que no se aprovecha. Como dato comparativo, los motores eléctricos tienen un rendimiento en torno al 90%.

¿Qué es la relación de compresión?
La relación de compresión es la suma de la cilindrada más el volumen de la cámara de combustión, entre el volumen de la cámara de combustión.

relación de compresión

 

Se entiende mejor con el gráfico.
V = Al volumen que desplaza el pistón, desde el PMI al PMS
v = Al volumen de la cámara de combustión, es decir cuando el pistón está en el PMS

RC= V+v/v

La relación de compresión es un valor significativo de la potencia del motor.
Valores altos están en torno de 11/1, pero en aviación suelen estar en torno a 8.5/1

¿Qué es el avance del encendido?
Como hemos dicho antes, lo que hemos explicado es el ciclo teórico ideal, pero esto no se cumple en la vida real por pérdidas de calor, combustión no instantánea etc.
Evidentemente si la combustión no es instantánea, que lleva unas fracciones de segundo, no podemos hacer saltar la chispa justo en el PMS, ya que tenemos que darle un poco de ventaja para que le de tiempo a quemarse a la mezcla de aire combustible.
Lo que se hace es “avanzar el encendido”, es decir la chispa saltará antes de que el pistón llegue al PMS.
La chispa suele saltar unos 30º de recorrido de cigüeñal, antes de llegar al PMS.

En este vídeo vamos a ver una especia de radiografía del interior de la cámara de combustión y veremos a cámara hiper lenta cómo la chispa salta antes de que el pistón llegue arriba y veremos como se va extendiendo el frente de llama para quemar toda la mezcla.
La parte negra de abajo es el pistón que sube y lo que se ve pegado a el es la mezcla de aire combustible que posteriormente se inflama.
En los motores de aviación al tener 2 bujías tiene una combustión más uniforme y rápida.

¿Qué es el cruce de válvulas?
En el ciclo teórico, la entrada y salida de los gases de escape era instantánea, pero en la vida real, lleva un tiempo.
En el tiempo de expansión, la válvula de escape “adelanta su apertura” y se abre antes de que el pistón llegue al PMI, permanece abierta todo el tiempo de escape y no se cierra hasta pasado el PMS (En lugar de como decía el ciclo teórico cerrarse justo cuando el pistón llega al PMS).
Esto es beneficioso porque los gases salen más rápidamente del motor y por lo tanto también se consigue una mejor refrigeración del motor.

En el tiempo de la carrera de escape de escape, la válvula de admisión se abre antes de que el pistón llegue al PMS, permaneciento abiera todo el tiempo de admisión y cierra después de que el pistón llegue al PMI.
Con esto se consigue una mayor carga de aire fresco en los cilindros, ya que se aprovecha la succión que crean los gases de escape al salir por la válvula de escape y así ayudar a la carga de aire fresco.

En el siguiente post hablaremos del sistema de inyección y el sistema de carburación.
¡¡¡No te lo pierdas!!!

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