Fundamentos de Motores Térmicos: Tipos, Aplicaciones y el Ciclo Otto

Motores Térmicos

La transformación de calor en trabajo se realiza comúnmente en la práctica mediante dos tipos generales de máquinas térmicas o motores: el motor de combustión externa, como la máquina de vapor, y el motor de combustión interna, como el motor de explosión (o de encendido provocado) y el motor diésel (o de combustión por compresión).

En ambos tipos, un gas o mezcla de gases contenidos en un cilindro experimenta un ciclo, obligando al pistón a comunicar a un eje un movimiento de rotación, superando una resistencia. En ambos motores es necesario que el gas experimente en determinado instante del ciclo elevaciones de temperatura y presión. En los motores de combustión externa, esta elevación tiene lugar en un horno exterior al pistón, mientras que en los de combustión interna, esta elevación se produce mediante una reacción química en el interior del propio pistón.

Motores de Combustión Interna (MCI)

Las máquinas de combustión interna son aquellas en las que el calor que luego ha de transformarse en trabajo se produce en el interior de la propia máquina. Dentro de las máquinas de combustión interna podemos diferenciar distintos tipos según:

• El combustible utilizado: líquidos (gasolina, gasóleo, etc.), gaseosos o mezcla de ambos.
• El método de preparación de la mezcla: externa (motores de carburador) o interna (diésel de inyección directa).
• Las condiciones de combustión: explosión (o encendido provocado) y combustión (o autoencendido).
• El número de carreras que efectúa el pistón en el cilindro en un ciclo completo: motores de cuatro y dos tiempos.
• El movimiento producido: alternativo o rotativo (motores o turbinas).
• El número y disposición de los cilindros: monocilíndricos hasta 18 cilindros.

Aplicaciones

Se utilizan para los automóviles, maquinaria agrícola y de construcción, barcos con motor diésel, centrales termoeléctricas con motor diésel, etc.

El Motor de Cuatro Tiempos de Otto

Consta de cuatro tiempos, es decir, el ciclo se completa con dos vueltas del cigüeñal.

Primer Tiempo: Admisión

En esta primera fase, el pistón desciende desde su posición más alta dentro del cilindro, denominada punto muerto superior (PMS), arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Como consecuencia, se produce una depresión en el interior del cilindro que permite que este se llene con la mezcla de vapor de gasolina y aire a través de la válvula de admisión. Cuando el pistón llega a su posición más baja, denominada punto muerto inferior (PMI), concluye la primera carrera, la válvula de admisión se cierra y el cigüeñal habrá girado 180º.

Segundo Tiempo: Compresión

El pistón asciende desde el PMI hasta el PMS arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Cuando el pistón llega al PMS concluye la segunda carrera y el cigüeñal habrá girado otros 180º. La mezcla de vapor de gasolina y aire es comprimida al disminuir el volumen de V₁ a V₂.

Tercer Tiempo: Combustión y Expansión

La combustión de la mezcla caliente tiene lugar rápidamente mediante una chispa eléctrica (proporcionada por la bujía). Como consecuencia del combustible que se quema, aumenta el volumen del gas, lo que da lugar a un incremento de la presión sobre el émbolo y a que este descienda.

Cuarto Tiempo: Escape

Los productos de la combustión se encuentran todavía, al final de la carrera de expansión, a temperatura y presión superiores a las del exterior. En ese momento se abre la válvula de escape que permite la salida de gas hasta que la presión y la temperatura descienden hasta los valores iniciales P₁ y T₁, cediendo el motor al exterior un calor Q₂. Durante esta fase inicial de escape, el pistón aún no se desplaza significativamente.