Ciclo de Carnot, Sobrealimentación y Tipos de Motores: Funcionamiento y Características

Ciclo de Carnot: Fundamentos y Reversibilidad

El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico reversible que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas. Es un ciclo teórico e ideal, lo que significa que ninguna máquina térmica real puede alcanzar su eficiencia. Un ciclo reversible es aquel que puede operarse tanto en sentido horario como antihorario, y la inversión puede realizarse en cualquier punto del ciclo.

Las etapas del ciclo de Carnot son las siguientes:

1. 1 al 2 (Expansión Isotérmica): El fluido absorbe una cantidad de calor Q1 desde una fuente caliente a temperatura constante (T_c) y realiza trabajo. El volumen aumenta y la variación de energía interna (ΔU) es cero.
2. 2 al 3 (Expansión Adiabática): El fluido continúa expandiéndose y realizando trabajo, pero esta vez sin intercambio de calor (Q=0). La expansión se produce a expensas de la energía interna del fluido, lo que provoca una disminución de la temperatura desde T_c hasta T_f.
3. 3 al 4 (Compresión Isotérmica): El fluido cede calor Q2 a una fuente fría a temperatura constante (T_f) y se realiza trabajo sobre él. El volumen disminuye y la variación de energía interna (ΔU) es cero.
4. 4 al 1 (Compresión Adiabática): Se realiza trabajo sobre el fluido, comprimiéndolo sin intercambio de calor (Q=0). Esto aumenta su energía interna y, por lo tanto, su temperatura, desde T_f hasta T_c, completando el ciclo.

Sobrealimentación en Motores: Aumento de Potencia

La sobrealimentación es una técnica utilizada para aumentar la potencia de un motor de combustión interna sin necesidad de incrementar su cilindrada. Se logra introduciendo un mayor volumen de aire (en motores diésel) o mezcla aire-combustible (en motores de gasolina) en el cilindro del que se aspiraría normalmente.

El aire se introduce comprimido a alta presión. Para ello, se utiliza un turbocompresor, que consta de un compresor accionado por una turbina que aprovecha la energía de los gases de escape.

Después de pasar por el compresor, los gases se encuentran a alta presión y temperatura. Para reducir su temperatura y aumentar aún más su densidad, se utiliza un intercooler. El intercooler es un radiador que enfría el aire comprimido utilizando el aire ambiental que incide sobre el vehículo durante su marcha.

Tipos de Motores de Combustión Interna

Motores de Explosión (Otto)

En los motores de explosión, también conocidos como motores Otto o de encendido por chispa (MEP), la ignición de la mezcla de gasolina y aire se produce mediante una chispa generada por una bujía. El carburador (en motores más antiguos) o el sistema de inyección electrónica se encargan de dosificar y mezclar el aire y el combustible.

Motores Diésel

Los motores diésel son motores de encendido por compresión (MEC). La principal diferencia con los motores Otto es que la ignición se produce espontáneamente cuando el combustible se inyecta en la cámara de combustión, donde el aire ha sido comprimido a una presión y temperatura muy elevadas. Por lo tanto, los motores diésel no necesitan bujías ni carburador.

Motores de 4 Tiempos

En un motor de 4 tiempos, el ciclo termodinámico completo se realiza en cuatro carreras del pistón (émbolo) y dos vueltas completas del cigüeñal. La renovación de la carga (aire o mezcla aire-combustible) se controla mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape.

Motores de 2 Tiempos

En un motor de 2 tiempos, el ciclo completo se realiza en dos carreras del pistón y una vuelta del cigüeñal. Estos motores no tienen válvulas; la entrada y salida de gases se realiza a través de lumbreras (orificios) en la pared del cilindro. La lubricación en los motores de 2 tiempos a menudo se realiza mezclando aceite con el combustible, a diferencia de los motores de 4 tiempos que suelen tener un cárter separado para el aceite.

Son motores más ligeros y económicos, comúnmente utilizados en aplicaciones donde no se requiere una gran potencia, como ciclomotores y motosierras.

Ventajas y Desventajas de los Motores de 2 Tiempos

Los motores de 2 tiempos presentan una serie de ventajas y desventajas en comparación con los de 4 tiempos:

• Ventajas:
  • Mayor simplicidad constructiva: carecen de árbol de levas y correa de distribución.
  • Ausencia de válvulas, lo que reduce el desgaste.
  • Mayor potencia específica: producen trabajo útil en cada vuelta del cigüeñal.
• Desventajas:
  • Menor rendimiento mecánico.
  • Mayor temperatura de funcionamiento, lo que puede aumentar el desgaste.
  • Mayores niveles de contaminación debido a la combustión del aceite mezclado con el combustible.