Funcionamiento y Componentes Clave de Motores de Combustión Interna

Conceptos Básicos de Termodinámica

Un sistema abierto intercambia energía y materia con el exterior. Un sistema cerrado solo intercambia energía con el exterior. Un motor térmico realiza un trabajo al transferir calor de un foco caliente a uno frío. Una máquina frigorífica recibe trabajo para transferir calor de un foco frío a uno caliente. La eficiencia en una máquina frigorífica puede ser mayor que uno.

Una bomba de calor es una máquina frigorífica que extrae calor del exterior y lo cede a una habitación, o viceversa, pudiendo tener una eficiencia mayor que 1.

Ciclo de Carnot

El motor de Carnot sigue tres pasos: 1) se suministra energía en forma de calor a alta temperatura, 2) el calor realiza un trabajo mecánico, 3) el motor cede calor a baja temperatura.

El ciclo de Carnot es un ciclo teórico y reversible:

• Tiempo 1: Expansión isotérmica (W1=Q1).
• Tiempo 2: Expansión adiabática (sin transferencia de calor).
• Tiempo 3: Compresión isotérmica (W2=Q2).
• Tiempo 4: Compresión adiabática.

Un proceso reversible es aquel en el que un pequeño cambio en el ambiente puede revertir su trayectoria, aunque en la práctica es imposible.

Componentes Principales de un Motor

Estructura del Motor

• Culata: Protege la parte superior del motor.
• Bloque: Entre la culata y el cárter, contiene los cilindros, orificios de refrigeración y lubricación.
• Cárter: Protege la parte inferior del motor y sirve como depósito de lubricante.

Componentes Internos

• Cilindro: Hueco donde se realiza la combustión y se desplaza el pistón.
• Pistón o émbolo: Transforma la energía térmica en mecánica de traslación.
• Segmentos: Aros que sellan la cámara de combustión y reducen la fricción.
• Bulón: Une el pistón con la biela.
• Biela: Transforma el movimiento rectilíneo del pistón en rotativo.
• Cigüeñal: Transfiere la energía rotativa a la caja de cambios.
• Volante de inercia: Acumula energía para un movimiento continuo.

Sistema de Admisión y Escape

• Válvula de admisión: Permite la entrada de la mezcla aire-combustible (Otto) o solo aire (Diésel).
• Válvula de escape: Permite la salida de los gases de combustión.
• Carburador: Mezcla aire y combustible en motores Otto.
• Bomba de inyección: Proporciona presión al combustible en motores Diésel.
• Bujía: Genera la chispa de ignición en motores Otto.
• Delco: Distribuye la corriente a las bujías en motores Otto.
• Inyector: Introduce el combustible en el cilindro.
• Tubo de escape: Evacúa los gases quemados.
• Silenciador: Reduce la contaminación acústica.
• Catalizador: Reduce las emisiones nocivas.

Otros Componentes

• Cojinetes: Reducen la fricción entre piezas móviles.
• Árbol de levas: Controla la apertura y cierre de las válvulas.
• Embrague: Conecta y desconecta la transmisión del motor.
• Caja de cambios: Modifica la relación de transmisión.

Conceptos de Control y Medición

• PMS (Punto Muerto Superior): Máxima altura del pistón.
• PMI (Punto Muerto Inferior): Mínima altura del pistón.
• Carrera: Distancia entre PMS y PMI.
• Sensor: Recibe una magnitud física y la proporciona al transductor.
• Transductor: Convierte una magnitud física en una señal interpretable.
• Captador: Transductor en un lazo de realimentación.
• Transmisor: Normaliza la señal del sensor, transductor o captador.

Sistemas de Control

• Servosistema: Sistema de lazo cerrado con entrada variable.
• Servomecanismo: Servosistema donde la salida es posición, velocidad o aceleración.
• Servomotor: Motor con control de posición en lazo cerrado.

Tipos de Transductores

• Transductores activos: Generan señal eléctrica propia.
• Transductores pasivos: No generan señal eléctrica propia (ej., termistores NTC y PTC).

Sistemas de Control de Lazo

• Sistema de control de lazo abierto: La salida no influye en la entrada (ej., lavadora automática).
• Sistema de control de lazo cerrado: La salida influye en la entrada (ej., control de iluminación).

Ciclos de Motores

Ciclo Otto

1. Admisión (isobara 0-1): Entrada de mezcla aire-combustible.
2. Compresión (adiabática 1-2): Compresión de la mezcla.
3. Combustión-Expansión (isócora 2-3 y adiabática 3-4): Generación de trabajo.
4. Escape (isócora 4-1 e isobara 1-0): Expulsión de gases.

Ciclo Diésel

1. Admisión (isobara 0-1): Entrada de aire.
2. Compresión (adiabática 1-2): Compresión del aire.
3. Combustión-Expansión (isobárica 2-3 y adiabática 3-4): Generación de trabajo.
4. Escape (isócora 4-1 e isobara 1-0): Expulsión de gases.