Fundamentos Técnicos de Motores de Combustión Interna: Funcionamiento y Rendimiento
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Proceso de Combustión
Los motores de encendido provocado utilizan una chispa generada por la bujía para iniciar la combustión con mezcla homogénea o estratificada; el frente de llama recorre la cámara separando gases frescos de quemados. Los motores de encendido por compresión logran el autoencendido mediante alta temperatura al final de la compresión con mezcla heterogénea y frentes de llama múltiples, dependiendo del sistema de inyección.
Ciclo de Trabajo
En los motores de cuatro tiempos, el ciclo completo se realiza en dos vueltas del cigüeñal, pasando por admisión, compresión, combustión-expansión y escape. Los motores de dos tiempos completan el ciclo en una vuelta, combinando admisión y escape en el proceso de barrido, donde los gases frescos expulsan los gases quemados.
Presión de Admisión
En aspiración natural, el aire entra por succión del pistón y la presión de admisión es inferior a la atmosférica. En motores sobrealimentados, un compresor eleva la presión de admisión permitiendo mayor cantidad de aire, lo que se traduce en mayor potencia y eficiencia; estos motores requieren intercooler para enfriar el aire comprimido.
Tipo de Combustible
Los motores pueden usar combustibles líquidos como diésel y gasolina, o gaseosos como metano y LPG. Los combustibles deben tener alto poder calorífico, baja contaminación, ser fáciles de manejar y seguros.
Sistema de Introducción del Combustible
En los motores de encendido provocado, la mezcla se introduce antes o durante la admisión; en los de encendido por compresión, se inyecta directamente al final de la compresión con precisión.
Tipo de Refrigeración
La refrigeración puede ser por agua, aire u aceite, según el tipo de motor y su aplicación.
Número y Disposición de Cilindros
Los motores pueden tener cilindros en línea, en V u opuestos, según el diseño y la aplicación, ya sea marina, automotriz o industrial.
Renovación de la Carga en Motores 4T
La renovación de la carga consiste en expulsar gases quemados e introducir aire fresco durante el escape y la admisión, afectando la potencia, el consumo de combustible y las emisiones contaminantes.
Pérdidas de Carga
La resistencia en válvulas y conductos aumenta con el régimen de giro, reduciendo la eficiencia. Las válvulas son responsables de la mayor parte de estas pérdidas, que también afectan el trabajo de bombeo.
Compresibilidad
La compresibilidad se manifiesta cuando el flujo alcanza altas velocidades, especialmente en las válvulas debido a su sección reducida y a los saltos de presión importantes, como en la apertura de escape donde puede alcanzarse flujo sónico.
Ondas de Presión
Las fluctuaciones generadas por la apertura y cierre de válvulas influyen en la admisión y el escape, siendo clave el diseño de colectores para optimizar este efecto.
Calentamiento
El aire al calentarse reduce su densidad y entra menos masa al cilindro. En el escape, los gases se enfrían, lo que afecta la presión y la evacuación.
Inercia del Fluido
Los gases no se mueven de forma instantánea, por lo que es necesario ajustar la sincronización de válvulas para aprovechar esta inercia, mejorando el llenado.
Rendimiento Volumétrico
El rendimiento volumétrico es la relación entre el aire real que entra al cilindro y el que entraría en condiciones ideales, determinando la capacidad de generación de potencia del motor.
Tasa de Residuales y Cortocircuito
Los gases quemados que quedan tras el escape son los residuales. El cortocircuito ocurre cuando aire fresco se pierde sin ser utilizado debido al cruce de válvulas; ambas tasas afectan la eficiencia de la renovación.
Trabajo de Bombeo
Es la energía necesaria para realizar la renovación, generalmente negativa, salvo en motores sobrealimentados donde puede ser positiva si está bien diseñada.
Elementos Importantes
- Culata: Alberga válvulas y conductos clave.
- Colectores: Afectan las ondas de presión.
- Compresor y turbina: Esenciales en motores sobrealimentados.
- EGR: Recircula gases para reducir NOx, afectando la carga.
Diseño de Válvulas
El coeficiente de descarga mide la eficiencia del paso de válvula. La relación levantamiento-diámetro debe optimizarse para minimizar pérdidas sin aumentar el estrés mecánico.
Influencia en el Rendimiento
Las pérdidas reducen el rendimiento volumétrico, la alta contrapresión dificulta la evacuación y entrada de gases, y el trabajo de bombeo puede ser negativo o positivo según el diseño.